（理论物理专业论文）耦合于铁磁电极双量子点系统的自旋极化输运.pdf

中文摘要 耦合于铁磁电极双量子点系统的自旋极化输运 理论物理专业 研究生侯涛指导教师昊绍全教授 摘要 作为展现低维介观体系量子效应的典型代表 量子点结构成为近年 来的研究热点 特别是在量子点的隧穿电导中发现了非常明显的k o n d o 现象 后 使k o n d o 现象成为在凝聚态物理学中一个非常著名和被广泛研究的现象 k o n d o 效应最初起源于稀磁合金中的低温物理反常现象 在最近几十年里 由于纳米技术的发展与进步 人们已经能够使用量子点 系统来研究f a n o 和k o n d o 共振各个方面的性质 这极大地增强了人们在介观 系统中研究这两个效应的兴趣 与稀磁合金中k o n d o 效应导致低温电阻增加不 同的是 在量子点系统中 由于在费米能级处的k o n d o 共振为电流提供了一个 新的通道 因而介观k o n d o 效应导致了系统电导的增加 最近 许多努力用于 研究耦合于铁磁电极的量子点系统的性质 基于这一点我们利用隶玻色平均场 近似 以及运动方程等理论通过求解格林函数的方法 一方面 研究了耦合于 铁磁电极平行双量子点系统中的自旋极化输运现象 研究结果表明 该系统在 费米能级处的k o n d o 共振峰与自旋极化强度和磁通量的取值有关 与此同时 当磁电极磁矩反平行时 自旋向上和自旋向下的k o n d o 共振峰出现在同一位 置 并且这种重合完全不受铁磁电极中极化强度以及磁通量取值的影响 而当 磁电极磁矩平行时 自旋向上和自旋向下的k o n d o 共振峰发生了偏移 即出现 了明显的分裂 另 一方面 我们研究了通过耦合于铁磁电极的t 型双量子点 系统中的f a n o k o n d o 效应 对比于传统的串型和并型量子点结构来说 t 型 双量子点结构显示了一些独特的性质 一方面 t 型双量子点为实验有限条件 下研究双杂质系统提供了可行性 另一方面 t 型双量子点系统又是一个研究 中文摘要 关联效应的模型 因为其特殊的量子点结构使得电子有了两条传输通道 一条 是通过中心电子 另外一条是通过边耦合电子 此外 由于k o n d o 效应起源于 低温稀磁合金中的磁杂质与传导电子之间的相互作用 使得k o n d o 效应为研究 量子点局域自旋和自由电极之间的相互关联提供了一个方式 同时 f a n o 效 应发生于电子从任意初态的两种跃迁方式的互相干涉 因此很有意思研究一下 f a n o k o n d o 效应如何影响t 型双量子点的传输性质 通过我们的研究结果发 现 i 当磁电极磁矩反平行时 自旋向上和自旋向下的k o n d o 峰出现在同一 位置 并且这种重合完全不受铁磁电极中自旋极化强度取值的影响 i i 当磁 电极磁矩平行时 自旋向上和自旋向下的k o n d o 峰出现了明显的分裂 随着极 化强度的增大 自旋向上的近藤峰峰值被抑制 并且近藤峰不再出现在费米能 级处 而是向低能级方向移动 与之相反 自旋向下的近藤峰被加强且向高能 级方向移动 i i i 由于边耦合量子点的影响 系统产生了f a n o 效应 而量子 点之间的耦合强度对f a n o 效应和k o n d o 效应都有很大影响 这些新的结果有望 在研究自旋电子学中的电子相关性方面起到指导意义 关键词 量子点k o n d o 效应f a n o 效应自旋极化a n d e r s o n 模型 i i s p i n p o l a r i z e dt r a n s p o r tt h r o u g h t h ed o u b l eq u a n t u m d o t ss y s t e mc o u p l e dt of e r r o m a g n e t i cl e a d s m a j o r t h e o r e t i c a lp h y s i c s p o s t g r a d u a t e h o u t a o s u p e r v i s o r p 面w us h a o q u a n a st h et y p i c a lr e p r e s e n t a t i o n o fe x h i b i t i n gq u a n t u me f f e c t m1 0 w d h n e n s i o n a lm e s o s c o p i cs y s t e m t h eq u a n t u md o ts y s t e mb e c o m e s t h eh o tt o p l c r e c e n t l v e s p e c i a l l y a f t e rf i n d i n gt h ec l e a r k o n d op h e n o m e n o nm 劬m e i i l n g c o n d u c 切n c eo fq u a n t u md o t t h ek o n d oe f f e c tw a sw i d e l ys t u d i e di nc o n d e n s e d m a t t e rp h y s i c s i ti saw e l l k n o w np h y s i c sp h e n o m e n o n t h i se f f e c t o r i g i n a l y 撕s e s 舶mt h ep h y s i c a l l ya b n o r m a lp h e n o m e n o n u n d e rl o wt e m p e r a t u r e 1 1 1d i l u t e m a g n e t i ca l l o y r e c e n td e v e l o p m e n t sa n da d v a n c e si n n a n o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yh a v e m a d ei tp o s s i b l et oi n v e s t i g a t ev a r i o u sa s p e c t so f f a n ov e r s u sk o n d or e s o n a n c e b vm e a l l so fq u a n t u md o t s w h i c hh a sg r e a t l ya r o u s e dn e w i n t e r e s t1 1 3b o t ht h e e f 艳c t so ft h em e s o s c o p i cs y s t e m i nc o n t r a s tt ot h ee n h a n c e m e n t o ft h er e s i s t i v i t y o ft h ek o n d oe f f e c ti na b u l km e t a l t h ek o n d or e s o n a n c en e a rt h ef e r m il e v e l 1 0 c a l i z e da tt h eq u a n t u md o tp r o v i d e san e w c h a n n e lf o rt h em e s o s c o p l cc 岍e m a n d e a d st oa ni n c r e a s eo ft h ec o n d u c t a n c ei naq u a n t u m d o t r e c e n t l y ag r e a t e 韵r th a sb e e nd e d i c a t e dt ot h es t u d yo fk o n d oe f f e c ti nq u a n t u m d o tc o u p l e dt o f e r r o m a g n e t i c l e a d s i nt h i st h e s i s w eu s e t h es l a v e b o s o nm e a n n l e d a p p r o x i m a t i o na n de q u a t i o no f m o t i o nt e c h n i q u et os o l v et h eg r e e n 劬c n o n o n t h eo n eh a n d w ei n v e s t i g a t et h ep h e n o m e n o no fs p i n p o l a r i z e dt r a n s p o r to f t h e d a r a l l e ld o u b l eq u a n t u md o t s d q d c o u p l e dt of e r r o m a g n e t i cl e a d s w e h a v e f o u n d 吐1 a t m ek o n d or e s o n a n c eo ft h i ss y s t e ma tt h ef e r m ie n e r g y l sr e l e v a n tt o t 1 1 ev a l u eo ft h es p i n p o l a r i z e ds t r e n g t ha n dt h em a g n e t i cf l u x m o r e o v e r 1 1 3t h e a b s t r a c t a n t i p a r a l l e ls p i na l i g n m e n t t h ek o n d or e s o n a n c e sf o rs p i nu pa n ds p i nd o w n c o n f i g u r a t f o n sa p p e a ra tt h es a m ep o s i t i o n a n di ti s n ti n f l u e n c e db yt h ev a l u eo f t h es p i n p o l a r i z e d s t r e n g t ha n dt h em a 印e t i cf l u xi nt h ef e r o m a g n e t i cl e a d s h o w e v e r f o rp a r a l l e ls p i na l i g n m e n t t h ek o n d or e s o n a n c es p l i t sf o rs p i nu pa n d s p i nd o w nc o n f i g u r a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d w es t u d yt h ef a n o k o n d oe f f e c ti n t h et s h a p e dd o u b l eq u a n t u md o t sc o u p l e dt o f e r r o m a g n e t i cl e a d s c o n t r a s t i n g w i t ht h eu s u a ls e r i e sa n dp a r a l l e ld q d s y s t e m s t h et s h a p e dd q ds y s t e m ss h o w s o m ed i f f e r e n tp r o p e r t i e s o nt h eo n eh a n d t h et s h a p e dd q d s y s t e m sp r o v i d e a ni d e am o d e ls y s t e mf o rs t u d y i n gt h et w oi m p u r i t ye f f e c t sa n dt h er e l a t e d e x p e r i m e n tc a nb ep e r f o r m e du n d e rc o n t r o l l e dc i r c u m s t a n c e o nt h eo t h e rh a n d t h et s h a p e dd q ds y s t e m sa r ea n o t h e rp r o t o t y p eo fc o r r e l a t e d s y s t e m s f o r w h i c ht h es p e c i a la r r a n g e m e n to ft h ed q d p r o v i d e st w op a t h sf o rt h ee l e c t r o n s t og ot h r o u g h o n ei st h r o u g ht h ec e n t r a lq da n dt h eo t h e ri st h r o u g ht h es i d eq d b e s i d e s t h ek o n d oe f f e c ta r i s e sf r o mt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nas i n g l em a g n e t i c i m p u r i t ya n dt h ee l e c t r o n so ft h eb u l km e n t a lu n d e rl o wt e m p e r a t u r e s ot h e o b s e r v a t i o no ft h ek o n d oe f f e c ti nq ds y s t e m so p e n e dan e wp a t hf o rt h e i n v e s t i g a t i o no fq u a n t u mc o r r e l a t i o nb e t w e e nl o c a l i z e ds p i ni nq da n dt h ef r e e e a d t h ef a n oe f f e c ta p p e a r sa sar e s u l to fq u a n t u mi n t e r f e r e n c eb e t w e e na d i s c r e t es i n g l ee n e r g yl e v e la n dad i r e c tc h a n n e lc h a r a c t e r i z e db yi t sc o n t i n u o u s s p e c t r u m i ti st h u si n t e r e s t i n gt os t u d yh o wt h ek o n d ov e r s u sf a n oe f f e c ta f f e c t t h ec h a r a c t e r i s t i ct r a n s p o r tp r o p e r t i e si nt h et s h a p e dd q d s y s t e m t h r o u g ho u r s t u d y w ef i n dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s i f o ra n t i p a r a l l e ls p i na l i g n m e n t t h e k o n d or e s o n a n c e sf o rs p i nu pa n ds p i nd o w nc o n f i g u r a t i o n sa p p e a ra tt h es a m e p o s i t i o n a n di ti s n ti n f l u e n c e db yt h ev a l u eo ft h es p i n p o l a r i z e ds t r e n g t hi nt h e f e r r o m a g n e t i cl e a d s w h i c hi st h es a m ea st h ec a s eo ft h ep a r a l l e ld o u b l eq u a n t u m d o t sd i s c u s s e db e f o r e i i f o rp a r a l l e ls p i na l i g n m e n t t h ek o n d or e s o n a n c e s p l i t so b v i o u s l yf o rs p i nu pa n ds p i nd o w nc o n f i g u r a t i o n s t h eu p s p i nr e s o n a n c e i ss u p p r e s s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ev a l u eo ft h es p i n p o l a r i z e ds t r e n g t h a n di t s p o s i t io nr i ol o n g e rs t a ya tt h ef e i m ie n e r g ya n ds h i f t st o x x a r d sl o w e re n e r g y i i a b s t r a c t h o w e v e rt h ed o w n s p i l lr e s o n a n c ei se n h a n c e da n ds h i f t st o w a r d sh i g h e re n e r g y i i i d u et ot h ee x i s t e n c eo ft h es i d ec o u p l e dd o t s t h ek o n d or e s o n a n c ea n d f a n oi n t e r f e r e n c ec o e x i s t a n dt h ei n t e r d o tc o u p l i n gs t r e n g t hg r e a t l yi n f l u e n c e t h ef a n o k o n d oe f f e c to ft h ec e n t r a lq u a n t u md o t t h e s en o v e lr e s u l t sa r eh e l p f u l i ne x p l o r i n gt h ee l e c t r o n i cc o r r e l a t i o ni ns p i n t r o n i c s k e y w o r d s q u a n t u md o t k o n d oe f f e c tf a n oe f f e c t s p i np o l a r i z a t i o n a n d e r s o nm o d e l 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明 所呈交学位论文 是本人在导师羞丝垒丝蕉 指导下 独立 进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 本人承诺 已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致 如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定 学校作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷 版和电子版学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供检 索 2 为教学 科研和学术交流目的 学校可以将公开的学位论文或解密后的 学位论文作为资料在图书馆 资料室等场所或在有关网络上供阅读 浏览 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全 文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 侄晴 导师签名 签字日期 山1 年 月 羡侈乞 签字日期正多年广月z 户 第一章综述 第一章综述 为什么一个早在上世纪3 0 年代就被发现的物理现象 在6 0 年代得到解释 7 0 年代成为为数众多r e v i e w 关注的主题 而现在依然紧紧抓住理论和实验物 理学家的想象 1 1k o n d o 问题的提出 k o n d o 近藤或康多 系统是凝聚态物理学中非常著名和研究得最为全面 的一个强关联电子系统 对k o n d o 系统研究的意义 不仅在于认识和了解产生 k o n d o 效应内在的物理机理 更为重要的是 由于k o n d o 模型可以精确求解 为了检验处理其它强关联电子系统的数学方法是否可靠 可以通过把这种方法 用于处理k o n d o 系统而得到验证 所以 k o n d o 系统是人们研究其它强关联电 子系统的一个非常理想的模型 b 叠害确 钯m p t r i i t u t t 图1 1 低温下金属电阻 a 电导 b 随温度的变化关系 1 9 6 4 年近藤 j u nk o n d o 首先从理论上阐明了磁性杂质对传导电子的散射 几率随温度下降而增大的起因 k o n d o 效应因此而得名 从此与电阻极小 以 及与此关联的一系列低温反常现象通常称为k o n d o 效应 通常 随着温度的降低 金属原子的晶格振动逐渐变小 电子变得更为容 易通过金属晶格 电阻变小 然而 在超低温下 l o k 金属的电阻表现为 三类现象 如图1 1 一类是金属的电阻在温度低于1 0 k 以下逐渐达到饱 一 譬曩譬薯譬 第一章综述 和 甚至在非常低的温度下都保持一个恒定有限的电阻 譬如铜和金 这类金 属的低温电阻由金属晶格中的静态缺陷数所决定 电阻正比于晶格缺陷数 如 图1 1 a 中的曲线1 第二类金属 如铅 锡 铝等 在一定的低温下会突 然失去电阻变成超导体 这种超导转变涉及到相变 如图1 卜a 中的曲线2 另外还有一种特别的情况就是当一些简单金属 如 铜 金 银 中加入少量 过渡金属元素 如 铁 锰等 或稀土元素 如 钴 铀等 就形成了稀磁 合金 与简单金属相比 当温度降低到低温区时 i o k 稀磁合金出现了完全 不同的热力学性质和输运性质 统称为反常现象 主要有 电阻反常 磁化率 反常和比热反常 在低温下 随着温度的降低电阻先减小达到最低值 然后不 断升高 这个过程中没有涉及相变 如图1 l a 中的曲线3 这种金属电阻 随着温度降低出现的反常增加行为 早在上世纪3 0 年代就被发现 然而对于 该现象的合理解释曾长期成为困扰科学界的难题 直到1 9 6 4 年 k o n d o 晗叫1 首 次从理论上阐明了导致稀磁合金出现反常的物理机制 他指出反常的电阻增加 行为来源于磁性杂质 所以这种现象就被称之为 k o n d oe f f e c t 近藤效应 但和稀磁合金中k o n d o 效应不同的是 量子点中的k o n d o 效应表现为电导随温 度降低而升高的反常现象 并且还能得到很好的控制 如图1 1 b 中的曲线4 k o n d o 理论的提出引起了科学家的普遍兴趣 因为k o n d o 效应并不仅仅是 稀磁合金的一个简单性质 同时也是许多多体体系的一个基本的物理性质 譬 如量子物理 粒子物理 而且k o n d o 效应出现在特定的温度之下乃 通常称之 为k o n d o 温度 在此温度时 体金属电子自旋会屏蔽磁杂质电子的局域自旋 1 9 6 1 年 a n d e r s o n 吨提出了单杂质模型 也叫s d 混合模型 s dm i x i n g m o d e l 该理论假设杂质只有一个能级 能量为孙杂质自旋为1 2 在z 方 向上的投影只有向上或向下 交换过程能有效地倒逆杂质局域自旋 即向上自 旋1 2 倒逆为向下自旋 1 2 或相反 同时 在费米海创造 个自旋激发 这 种自旋交换改变了系统的能谱 当连续的交换持续进行时 一个新的状态就产 生了 通常称之为 k o n d or e s o n a n c e 近藤共振 有必要指出 k o n d o 共 振是持续共振的 条件就是系统温度达到足够 冷 到k o n d o 温度乃以下 k o n d o 效应改变了系统的能谱 所以系统总是在共振 即使系统的初始能级s 远大于费米能 k o n d o 共振能有效地散射能量靠近费米能级处的传导电子 而 2 第一章综述 低温金属的电阻由传导电子的输运特性决定 所以近藤效应决定了稀磁合金电 阻的反常增加h 3 虽然k o n d o 理论对电阻极小的现象有了较好的解释 但是这导致了一个非 物理式的预测 即随着温度的降低 金属的电阻将无限增大 事实上只有在一 定的温度以上 随温度的降低金属电阻才是增加的 k o n d o 结果仅仅在温度大 于乃时才有效 为了寻求低于乃的k o n d o 问题的物理机制 2 0 世纪6 0 年代 末 a n d e r s o n 利用了标度分析的方法 这种方法可以预测接近绝对零度时真 实体系的性质 接着 1 9 7 4 年w i i s o n 利用实空间数字重正化群方法克服了传 统微扰理论的不足之处 并证实了标度假设 系统的基态是k o n d o 单态 推广 于t o k 情况所计算的磁化率曲线与在全温区也与实验一致 w i l s o n 的解只 是数值解 而且证实在k o n d o 温度以下 金属中的电子自旋完全屏蔽了杂质离 子的磁矩 通俗地说 这种自旋屏蔽类似于金属中的电荷屏蔽 事实上 在超 低温下 定域自旋与导电电子之间将形成一个新的束缚态 该束缚态抑制自旋 甚至使其完全消失 1 9 8 0 年 美国和前苏联学者应用贝脱方案 b e t h ea n s a t z 又求得了单杂质k o n d o 问题的严格解 这些研究 在理论上从微观的水平揭示 了金属中定域自旋的起源 同时 系统间电子的耦合强弱 对其电子输运有着显著的影响 对量子点 系统来讲 量子点与电极的耦合直接影响着观测到的不同量子效应 当量子点 与电极的耦合较弱时 相当于库伦阻塞区 电子输运的特征通常表现出 b r e i t w i g n e r 共振行为汹3 相反 量子点与电极的耦合非常强时 使得量子 点中的电子与电极中的导电电子关联 这时 系统处在近藤区时 考虑量子点 和电子的多电子间关联 电子的输运表现出近藤效应 那么介于二者之间某个 强度的耦合时 情况会是什么样呢 实验上在这种适中的耦合强度下 观察到 单电子晶体管的电导峰呈反对称线形 1 这预示某种相干干涉发生 能引起反 对称线形的干涉隐含着 种可能性 即在每个能量下 电子存在着两条相互干 涉的路径 其中一条是共振通道 而另一条是非共振的 电导峰的反对称线形 使我们回想起在高激发光谱中的 自电离共振 现象 在高激发光谱的研究中 b e u t l e r 陋3 发现通常多电子体系能谱结构的特点 是既非纯粹离散的 也非完 全连续的 对于一个嵌入在连续谱中的纯粹 自电离共振态 在接近共振能量 第一章综述 的某能量 使得连续区以下的吸收谱可以忽略 从而产生 透明 的 跃迁窗口 这在光学中被称为自电离共振 自电离是一种关联效应 当一个离散能级被埋 在连续能态中时 两者之间相互耦合 在离散能级的周围出现共振态 1 9 5 1 年f a n o h l 提出在这样的系统中 从任意初态的跃迁有两种方式 要么直接地 通过连续能态 要么通过共振的能级 它们相互干涉 干涉的后果导致跃迁机 率呈现反对称线条形状 f a n o 还具体给出了描述跃迁机率非对称线型的简单 解析公式 e q 2 s 2 j 其中参数曰称为 对称度 或形状指数 对每个f a n o 线型 它只是一个常数 这被称之为f a n o 效应 此外 量子点在微波照射下 可以研究光子协助隧穿中的f a n o 共振现象 刮 研究发现 对应于吸收和发射 光子的各共振旁带 均呈现f a n o 共振的现象 由于量子态具有本质特征的相 位 这使得分辨出各吸收和发射光子的旁带 在每对共振通道和非共振通道间 的相位差是不同的 由此给出各旁带f a n o 共振现象的不对称性 共振的相对 相位与吸收和发射光子有着某种依赖关系 考察f a n o 共振现象对各吸收和发 射光子的旁带不对称性 能够利用f a n o 共振颗粒噪声谱 从相干涉角度来分 辨可能出现源和漏 s o u r c ea n dd r a i n 间 共振通道和非共振通道构成的准 环路类似a h a r o n o v b o h m 效应 4 量子点f a n o 系统可以依照a h a r o n o v b o h m 干涉仪那样由a h a r o n o v b o h m 环和对其中一臂嵌入量子点来实现 4 l 由于量子点被隧穿势垒隔开 电子受 限性 比 热激发能 玛d 大的充电能 使量子点中呈现离散的能级 在库伦 阻塞区 量子点中的单粒子能级可以用门电压 闸极电压 来调节 也就是说 只有在该能级对齐电极的费米面时 量子点的传导才被许可 而无量子点的一 臂等价于直接通道 并提供连续的能态 这样a h a r o n o v b o h m 干涉仪就可以看 成一臂具有连续态 而含量子点的一臂是离散态 物理上 这正是f a n o 系统 在相干电子输运系统中实现的一种方式 早在上世纪八十年代末 理论研究己预测了低温条件下量子点中可能出现 的f a n o 和k o n d o 效应口纠引 但是由于实验条件的限制 低温下量子点中这两 个效应在实验上一直没有得到验证 直到上个世纪末 g o l d h a b e r g o r d o n 等 阳l n 7 1 8 宣布直接观察到了这个被理论所预言的效应 接着c r o n e n w e t t 等n 6 1 也 在低温下观察到量子点中的f a n o 和k o n d o 效应 这成为新一轮研究热潮的开 4 第一章综述 始 这两个小组都利用单电子晶体管来进行研究 并且这种单电子晶体管是通 过形成在g a a s a 1 g a a s 异质结表面的二维电子气上沉积金属栅极制各的 通过 施加栅极负电压 耗尽其下方二维电子气 形成量子点 分开的二维电子气作 为源极和漏极 量子点通过隧道结与它们耦合 在这种单电子晶体管中 虽然 量子点上的电子数目n 是不能确定的 但电子是一个一个地进入 n 总在奇数 和偶数间振荡 如果量子点中的电子数为奇数 那么 占据量子点最高能级的 只有一个电子 形成一个量子点的单占据态 正是占据量子点中最高能级的这 个电子 才决定了电子通过量子点的输运现象 而其它电子在决定电子通过量 子点的输运过程中是不重要的 两组试验中观察到了类似的在不同温度下栅极 电压v g 与电导g 的对应关系 当源漏电压为零时 电导随栅极电压变化的曲 线中出现了很多峰值 每个峰值对应于一个电子进入量子点 图1 2 与理 论预言相同 试验上观察到的电导峰都是成对地出现 图1 2 不同温度下栅极电压与电导之间的关系 k o n d o 效应的研究促进了一些相关学科问题的发展 譬如x 射线吸收边 的红外歧化问题 a n d e r s o n 正交理论 多体体系的低能激发等等 在粒子物 理中 众所周知 核 胶子 g l u o n s 一种理论上假设的无质量的粒子 对夸 克子 q u a r k s 的制约就是通过k o n d o 效应起作用的 k o n d o 预言 金属中介 子 m u o n s 的扩散常数 无定形金属的电阻 都存在类似k o n d o 效应的这种 畸异性 他认为这种畸异性是由于具有费米面的电子体系在低能激发下的分歧 响应而引起的 因此 他认为所有的这些畸异现象 包括k o n d o 效应 都是一 第一章综述 种费米面效应 另外 在材料科学中k o n d o 效应是一类被称之为高密度k o n d o 系统材料 或 称k o n d o 晶格材料 研究的中心问题 在这些材料中 k o n d o 效应能够在较高 的温区出现 在低温时 其电子的行为就像高度有序的重电子 费米子 h e a v y e l e c t r o n s 材料展现出各向异性的超导性能 反铁磁性能 铁磁性能 电多 极态及其他一些有趣的现象 这些现象都是目前一些非常有意思的研究课题 此外 对于强电子相互作用的材料内电子性质的理解 k o n d o 效应也为其提供 了很好的线索 例如对于高温超导体的研究 而在量子机制作用下去理解大量 粒子 如电子 的行为目前仍是物理学上的一个巨大挑战 k o n d o 效应的研究 为此提供了很好的平台 统计结果说明 k o n d o 效应是凝聚态物理中的一个被 广泛研究的低温现象 事实上也是研究多体体系物理科学的一个真正路标n 蛐1 1 2 量子点的结构 作为展现低维介观体系量子效应的典型代表 量子点结构成为近年来的研 究热点堙1 2 4 3 这是由于电子运动在所有的方向上都受到限制 量子点结构中的 量子效应最为明显 量子点 简言之就是含有微量电子的小器件 又称电子盒 e l e c t r o nb o x 由半导体材料构筑 尺寸在几个纳米到几个微米之间 通 过隧道结与外部电极耦合 其形状 尺寸及含有的电子数都精确可控 与单个 原子类似 由于电子在量子点中的局域性 其能级也是完全量子化的 因此量 子点成为研究类原子性质的有利工具 又称 人工原子 或单电子晶体管等 扣绷 和原子不同的是 量子点很容易与电极成功地连接 通过测量量子点 中的电荷传输 可以人为地确定该量子点的 元素序列 啪1 特别重要的是 通过控制电子进出量子点 可以研究电子与电子之间的相互作用 譬如 定域 在量子点上的电子与从外部电极注入的电子之间的相互作用 从这个原理上来 看 量子点更适合于研究k o n d o 效应 自从1 9 4 9 年s h o k l e y 发明半导体开关器件以来 微小半导体器件的物理 特性一直是人们关心的课题 目前 计算机芯片的元件限度已缩小到深亚微米 1 0 0 n m 级啪1 随着信息工业的迅猛发展 这一趋势还会继续下去 而由此 带来的问题是 器件小型化所产生的尺寸效应和边界效应 以及器件中载流子 6 第一章综述 的波动性对小器件的影响变得越来越重要 越来越明显 我们不可以忽视它们 的作用 因此 我们必须寻找按量子力学原理工作的全新的量子器件 自2 0 世纪8 0 年代以来 随着分子束外延技术的进步及光学和电子束纳米微刻技术 的日臻完善 人们已经能够制造具有高电子迁移率的亚微米尺度的器件 在 i i l k 的低温下 结构中的电子的相位相干长度可达到微米以上 超过了微观结 构的尺度 已经进入介观系统m 1 图1 3 量子点的构造图 半导琳材料和器件工艺技术的发展 使人们可以实现准二维的电子系统及 超晶格结构 后来又进一步的发展到某些准一维的结构 并最终创造出电子被 包围在维度只有几十或几个纳米的小盒子 量子点结构 在这些低维介观体 系中 由于维度和尺寸的减小 电子的性质完全受量子力学规律支配 能带的 人工可裁减性 量子尺寸效应和电子液的量子相干属性产生了许多新现象和新 效应 例如非定域量子相干 量子涨落与混沌 多体关联效应和非线性效应等 对这些新奇的物理特性的研究不仅有着重要的基础研究的意义 也为进一步开 发具有新的原理 新的结构的固态电子 光电子器件提供了基础理论 从而使 得介观物理成为凝聚态物理中发展得很快的 刚 i t 沿研究领域 刚h 圳 量子点结构所具有的库仑阻塞b 能量量子化恤 等电子输运特性为设计和 制造量子效应原理性器件和纳米结构器件 如半导体量子点激光器b 副 单电子 第一章综述 晶体管 3 电子旋转门器件b 副 室温单电子存储器 3 和单电子泵b 5 3 等 开辟了 新的发展方向 同时由于其能谱的分立增强了态密度的尖锐程度 因此零维量 子点结构具有大的光学非线性和独特的光致发光性质 从而使得量子点方便于 制造超小型的 低阀值的激光器b 刊和其它光电方面的应用 3 另一方面 由于 量子点参数易于调节 人们可以用量子点来研究以前难以触及的实验领域 更 为重要的是 量子点中的电子有着极强的关联 研究量子点中的电子输运有助 于人们深化对电子强关联行为的理解 自2 0 世纪9 0 年代以来 量子点结构中 电子输运的特性的实验和理论研究取得了重大的进展 3 大大深化了人们对 相互作用的介观体系的相干输运性质和电子间强关联行为的认识 其中最引人 注目的是利用量子点结构进行量子体系相干输运过程中的相位观测 l 汜3 和含 磁性杂质的金属中的近藤效应的研究 6 时虬 1 9 9 5 年 y a c o b y 等人做了一个 开创性实验m 3 他们在介观彳一b 环的一臂上插入一个量子点 然后测量随量 子点栅压变化的电导相位的演化 该实验证明了尽管量子点内存在强的库仑相 互作用 但电子隧穿量子点的相干性依然存在 另外 他们还发现两个惊人的 现象 1 在每经过一共振峰时 电导a b 振荡的相位发生突变 其量值为7 c 2 一系列的电导共振峰同相 但该实验没有测出电子穿过量子点的真实的 相位变化 其原因是两端电极测量装置本身要求满足电流守恒和时间反演对 称 这样就限制了相位的变化只可能是0 或7 c 1 9 9 7 年 s c h u s t e r 等人m 对 上述实验装置进行了改进 采用四端级测量法重复了y a c o b y 等人的实验 在 该实验中 他们对电子通过量子点的隧穿几率进行连续的相位演化测量发现了 以下三个有趣的现象 1 沿着每一共振峰 a b 振荡的相位持续的增加7 c 2 在相继两峰之间相位突然降低冗 3 所有共振峰具有相同的行为 为 彻底弄清楚共振峰相位相似性的物理本质和非弹性散射对相位演化的影响 人 们做了大量的工作担h 7 1 但到目前为止 关于上述实验观测现象在理论上还没 有得到公认的很好的解释 如果含量子点的一臂被调到近藤区 单粒子能级同样用门电压来调节 我 们就得到f a n o 和k o n d o 效应的组合 事实上 在与量子点耦合的一维传输通 道也发现f a n o 共振现象n 引 这种结构使得人们可以独立地调控离散共振能级 和非共振能态间的耦合 从而研究量子点系统处在各种电性区时的相位特征 第一章综述 比如说 让电子在一维传输信道部分地透射 同时又不让隧穿过量子点 人们 就可以观测一维传输通道对量子点中电荷的电感应 反过来 降低量子点的隧 穿势垒 这等价于把一维传输通道推向量子点 使得所有导电电子穿越量子点 这样一来 就能够看到库伦阻塞现象 在这两种现象之问的是库伦阻塞修正了 的f a n o 共振现象 人们可以从中获取共振参数 并用来推算连续传输通道和 量子点间的耦合 应该指出的是 量子点中的近藤效应和大块稀磁合金中的现 象表现不同 前者相应于电导极小 而后者是电阻极小 近藤效应的一个基本 特征就是金属传导电子经磁性杂质散射后有彬2 的相移 这种传导电子近藤共 振的相移在实验上一直没有得到证实 直到2 0 0 0 年 y j i 等人h 3 首次对电子 隧穿具有近藤关联的量子点的相位进行观测 该实验发现 电子穿过近藤关联 量子点的相移是7 这与理论上预言的北不同 1 3 单量子点系统中的k o n d o 效应 半导体量子点是在半导体异质结中形成的二维电子气上 通过施加门电 压 限制电子的运动而形成啪3 处于量子点中的电子 由于在三个方向上的运 动都受到限制 因而量子点中的电子能级和电荷都是量子化的 这与普通原子 中的情况非常类似 所以也把量子点称为人造原子 通过两个隧道结可以把量 子点嵌入到一个电路中 就能够研究电子通过量子点的输运现象 在电子通过 量子点的输运过程中 所出现的一个重要现象是库仑阻塞 由于量子点中的电 子能级和电荷都是量子化的 因此如果要把一个额外的电子加入到量子点中 去 就必须提供足够的能量 以便克服电子之间的库仑排斥作用 如果量子点 中含有奇数个电子 那么占据量子点中最高能级的只有一个电子 这就形成一 个量子点的单占据态 是一个自旋二重简并态 正是占据量子点中最高能级的 这个电子才决定了电子通过量子点的输运现象 而其它电子在决定电子通过量 子点的输运过程中是不重要的 量子点中电子能级的高低都可以通过一个门电 压进行人为控制 当量子点中电子单占据的这个能级与外电路中的费米能级相 等时 则这个能级中的电子可以很容易地隧穿进入到外电路中 而外电路中的 一个电子也可以很容易地隧穿进入量子点以占据这个己空了的能级 然后再离 开量子点 如此下去 外电路中的电子就能直接不断地隧穿通过量子点 这个 9 第一章综述 时候 量子点中可以有一个电子电量的涨落 也就是含有n 个电子的量子点和 含有n 1 个电子的量子点有相同的能量 我们说量子点具有二重电荷简并态 在这个电子隧穿通过量子点的过程中 电子是一个接一个地通过量子点 所以 我们叫这种隧穿过程为序贯隧穿 s e q u e n t i a ln m n e l l m g 此类隧穿不会引起量 子点自旋倒逆 当量子点中电子单占据的这个能级低于外电路中的费米能级 时 由于电子之间强的库仑排斥作用 外电路中的电子不能直接隧穿通过量子 点 我们叫这种现象为库仑阻塞 但此时可以存在几率很小的高阶隧穿过程 即根据量子力学原理 处于低能态的量子点中的电子可以通过量子涨落而跃迁 到处于高能态的外电路中 同时外电路中的一个电子直接隧穿进入量子点 这 种过程不断重复下去 就完成了电子不断地隧穿通过量子点的过程 应注意的 是 在这个电子隧穿通过量子点的过程中 所涉及到的两个量子力学过程都是 同时发生的 所以 我们叫这种隧穿过程为同一隧穿 c o t u n n e l l i n g 此类 隧穿过程会引起量子点自旋倒逆 在序贯隧穿过程中 隧穿电子能够保持相位 的相干 而在同一隧穿过程中 隧穿电子一般不能够保持相位的相干 如果适 当地控制量子点系统中的有关参数 那么会导致在占据量子点中最高能级上的 单电子与外电路中电子之间出现反铁磁交换相互作用 此时 量子点起着一个 磁性杂质的作用 具