摘要： 电子-电子相互作用、量子干涉和无序对输运性质的影响是凝聚态物理研究的重要主题。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室/应用物理中心研究员李永庆团队、光物理实验室副研究员李治林与合作者对这一问题开展了实验和理论研究。他们利用双栅调控的高质量三维拓扑绝缘体（Bi,Sb）2（Te,Se）3单晶薄片开展了实验研究。在这种器件中，电子输运性质由化学势可大范围调控的表面态狄拉克费米子主导。实验发现，当载流子浓度降低时，磁电导幅度逐渐增强，

关键词： 马约拉纳零能模   量子主方程   微分电导   电流噪声谱   非平衡输运  

摘要： 马约拉纳零能模(MZMs)满足非阿贝尔统计。利用马约拉纳零能模构建的非局域拓扑量子比特,具有抗局域干扰的特性。因此对它的研究引起了广泛的关注。在本论文中,我们研究量子点(QD)与载有马约拉纳零能模的拓扑超导纳米线耦合成环状(QD-RMZMs)系统的非平衡输运特性,环中通有磁通Φ。我们通过量子主方程方法研究两种输运模型下的非平衡输运特性。我们关注有限温度以及系统与环境(电极、探测器)弱耦合情况下微分电导和电流噪声谱的输运特性。 本论文的第一个工作是通过量子点两端接电极研究QD-RMZMs系统的非平衡输运特性。我们发现微分电导展现出跃迁共振峰,零频噪声谱也会出现类似的共振峰和谷,有限频噪声谱展现出非马尔可夫台阶并在拉比信号处出现谷。这些输运物理量的特征均随相位成周期性变化,其周期特性均受偏置电压、量子点的电子能级和马约拉纳零能模的耦合能影响。但零偏压电导峰(ZBCP)的周期与量子点的电子能级和马约拉纳零能模的耦合能无关。 本论文的第二个工作是通过量子点接触(QPC)测量QD-RMZMs系统的非平衡输运特性。研究结果表明,虽然微分电导随相位成周期性变化,但其特征在不同相位下的变化幅度较小。电流噪声谱在拉比频率处展现出峰值,其特征明显依赖于相位,且随相位成周期性变化。我们发现微分电导和电流噪声谱展现的周期特性仅与马约拉纳零能模的耦合能有关。对于以上的结果,我们给出了相应的物理解释。 本论文研究QD-RMZMs系统的非平衡输运特性,为马约拉纳零能模和QDRMZMs系统的非平衡输运特性之间的关联提供理论依据。此外,我们对输运系统参数的选择可在实验中实现。因此,本论文可以为马约拉纳零能模的编织操作以及其他马约拉纳零能模的相关实验提供理论参考。

关键词： 量子点自旋阀   主方程   全计数统计   自旋分辨  

摘要： 对自旋自由度的操纵是自旋电子学和自旋信息处理的核心。长久以来,人们做出了许多重要工作,来探索具有高性能和高效率的基于自旋自由度的新型功能器件。其中,纳米尺度自旋阀被广泛认为是自旋电子器件中颇具潜力的候选者。近年来,该类型系统受益于新型二维磁性材料的相关研究而不断发展。量子点系统是自旋阀器件的一个理想平台,具有精确操纵和控制单个电子自旋的独特优势。研究纳米尺度自旋阀的输运特性具有重要意义,而其中的自旋关联特性对于研究自旋输运行为起着至关重要的作用。由于自旋载流子的离散性,自旋电流噪声是自旋输运之间关联性的度量,它能够提供与电荷行为不同的关于自旋动力学和自旋输运过程的额外信息。最近的研究表明,即使在没有净电流的情况下,也可能产生自旋电流噪声。此外,预测自旋涨落能够灵敏地测量自旋翻转散射的影响,并探测量子点输运系统中电子间排斥或吸引相互作用。 本论文研究了自旋阀输运的自旋电流及其噪声关联特性,该自旋阀结构由两个非共线极化铁磁电极和单量子点耦合组成。基于自旋分辨量子主方程,本论文计算了单个自旋分量流,以及它们的自关联和互关联特性。在此基础上分析了自旋注入和自旋进动演化之间的相互作用,揭示了自旋不同于传统电荷输运所产生的独特输运关联性质。在小偏压情形下,电子电荷呈现出不相关的随机输运特性,而电子自旋输运却呈现出高度的相关性,而且自旋的自关联与电磁电极的极化强度紧密相关。铁磁电极与量子点所构成的自旋阀系统能够产生一个虚拟的交换磁场,使得量子点系统中积累的平均自旋产生进动,从而显著地影响自旋输运的动力学行为。研究发现,在中等偏压和较强极化条件下,交换场和平均自旋的相互作用在自旋分辨的噪声谱中产生了特殊的双峰结构,表明了自旋流的涨落对体系内部微弱磁场的高度灵敏性。进一步的研究表明,自旋流的自关联特性敏感地依赖于铁磁电极的极化强度,并在不同极化方向下表现出截然不同的行为。这些结论表明自旋输运的涨落特性在揭示自旋输运动力学方面具有无可比拟的优越性,在自旋电子学器件设计、自旋量子信息处理和自旋量子计量学等方面具有潜在的重要应用价值。

关键词： 莫尔超晶格   磁近邻效应   自旋极化输运   转角WSe2   双量子自旋霍尔态  

摘要： 自从“魔角”石墨烯中发现非常规超导以来,其他的转角二维材料也被广泛的研究,并且催生了一个被称为“莫尔物理”的领域。在这个领域中除了“魔角”石墨烯,由Cr 3以及其他磁性二维材料组成的磁性范德瓦尔斯异质结、由过渡金属二硫化物（TMDs）组成的异质结和同质结也受到广泛关注。 本文首先研究了由二维铁磁体CrI3堆叠在单层BAs上形成的莫尔超晶格中的自旋极化输运性质,其中自旋简并的解除是由于莫尔相关的磁近邻效应引起的。研究发现,由于周期性的莫尔超晶格,在较小转角处导电性表现出自旋分辨的微带输运特性。当入射能量位于自旋分辨的微能隙中时,粒子输运状态是自旋极化的,从而系统中产生了自旋极化电流。此外,只需要有限数量的莫尔周期即可获得100%的净自旋极化。异质结的层间距也是可调的,因此可以施加垂直电场来调制自旋极化的方向。研究结果为磁性莫尔超晶格中实现自旋功能器件提了机会。 此外本文研究了转角WSe2中的量子自旋霍尔（QSH）态的表现形式。最近理论上验证了双层转角TMDs中存在拓扑微带和实空间贝利曲率效应,并且实验中发现分数量子反常霍尔态、QSH态和分数QSH态。但是,其边界态的表现形式还没有在理论中被详细的描述。研究发现转角WSe2中,转角为1.5°时存在单QSH态,转角为3°时为单QSH态和双QSH态共存。通过计算边界态的局域态密度和局域电流密度可知此边界态为自旋分辨的螺旋边界态,满足QSH效应的特点。载流子并非局域在原子级别的边界上,而是局域在边界的莫尔超晶格的高势能点,并不断发生层间跃迁向前传播。我们称这种边界态为莫尔边界态。这里数值验证了这些QSH态都可以在非磁性弱无序中稳定存在。并且双QSH态比单QSH态的更稳定。本文的结论与最近的实验上的首次观测到双QSH态的结论是一致的。

关键词： 数据驱动   Atomly材料数据库   Kagome材料   范德瓦尔斯二维材料   非常规低维材料  

摘要： 物质科学发展至今,经历了从经验科学到理论科学,再到理论计算模拟的研究范式转变。随着计算机技术的发展,当今物质科学领域已经开始步入以数据驱动为核心的物质科学研究模式。借助第一性原理计算工具,以超级计算机作为载体,通过高通量的方式批量产生材料数据,最后以数据库为容器去收集整理计算数据,形成计算材料数据库。利用计算材料数据库可以发掘具有新奇特征的化合物,加速了对未知材料的探索步伐。 本论文以Atomly材料数据库为数据支撑,筛选了新型量子材料与低维材料,具体内容如下: （1）Kagome材料具有众多新奇物性,该系统对于理解如超导性和量子磁性等现象至关重要,它所展示的丰富的拓扑电子态,为研究新型量子计算机和实现拓扑量子计算提供了理想的物理系统。为了探索更多具有新奇物性的Kagome材料体系,通过材料数据库的方法去搜寻潜在的Kagome材料就有了迫切的必要。在这个背景下,我们以CsV3Sbs,CsV6Sb6和TbMn6Sn6三种当下受到广泛研究的Kagome材料为结构模版,通过元素替换去生成未知化合物,再计算其热力学稳定性,共筛选出了48种有望实验合成的Kagome材料,并分析了不同化合物间电子结构的变化规律。 （2）接着,基于拓扑缩放算法（TSA）,从Atomly材料数据库中筛选出了所有的层状结构并剥离出范德瓦尔斯二维材料,再以高通量的方式,通过第一性原理计算二维材料的能量信息与电子结构信息,最终生成包含了9,213个材料信息的范德瓦尔斯二维材料数据库,对比了同C2DB数据库之间的差异,并从数据库中筛选出了潜在的59种二维铁电材料,69种由金属元素组成的Kagome结构的材料,以及54种由非金属元素组成的Kagome结构的材料。 （3）我们还研究了在低维材料领域,两类研究较少的非常规低维材料体系:非范德瓦尔斯二维材料、一维范德瓦尔斯链状材料。对于非范德瓦尔斯二维材料,由于该类材料对应的体相母结构并非是由范德瓦尔斯相互作用凝聚而成的层状结构,使得这类材料不适合用于识别层状材料的TSA算法去判别材料的可剥离性。我们开发出了一套专门用于判别非范德瓦尔斯材料可剥离性的算法与流程,利用该方式,成功剥离并计算出了6,590个非范德瓦尔斯二维材料的能量信息与电子结构,通过对这些结构的剥离能与热力学稳定性计算共筛选出了952个有望通过实验剥离的非层状结构。对于一维范德瓦尔斯链状材料的筛选,我们利用TSA算法,筛选并成功剥离出了4,374个一维范德瓦尔斯链状材料并对这些材料的组分进行了统计分析。 以数据驱动的方法在新型材料探索与性质预测中扮演着越来越重要的角色,通过使用数据库中的材料数据可以构建筛选与判别模型,以加快识别利于实验合成的最佳候选材料。本论文通过对Atomly材料数据库的筛选与发掘,研究了三类Kagome结构体系,给出了有望实验合成的化合物,生成了范德瓦尔斯二维材料数据库以及非常规低维材料数据库。

关键词： In2Se3   铁电异质结   光生电流效应   光电流   量子输运模拟  

摘要： 近年来,铁电材料中的光生电流效应在太阳能电池、光电探测和非易失性存储等领域展示了应用潜力,激发了广泛的研究兴趣,但目前能覆盖全太阳光谱的窄带隙铁电材料仍较为稀少,而且对于现有铁电光电器件而言,增强偏振敏感度和提高开关比仍有很大的空间。针对这些问题,本论文采用量子输运模拟方法研究二维窄带隙InSe/In2Se3铁电异质结的光生电流效应。主要研究内容和结果如下: 基于非平衡格林函数理论,推导了由椭圆偏振光激发的光电流理论公式,给出了光电流随光的螺旋度及入射角的依赖关系。利用上述公式结合量子输运计算方法,研究了二维InSe/In2Se3铁电异质结的光生电流效应。计算表明,当In2Se3的铁电极化方向分别指向面内和面外时,异质结均具有Ⅱ型匹配的能带结构,对应的带隙分别为0.98 eV和1.19 eV,可吸收从近红外到全部可见光波段的光子能量。研究发现,由于异质结具有非空间反演的C3v对称性,在光子能量为0.7～3.2 eV的椭圆偏振光照射下,可产生显著的光生电流效应。在倾斜入射时,可同时产生圆光生电流效应和线光生电流效应,而垂直入射时只能产生线光生电流效应。总体而言,圆光生电流效应明显强于线光生电流效应,光电流大小的比值可达10～3。光电流还具有优异的偏振敏感性,当铁电极化指向面外时,最大消光比可达410。反转铁电极化的方向可有效调节光电流的大小。在低光子能量范围内（0.7～1.5 eV）,铁电极化指向面内时的光电流明显大于极化向外时的光电流。在特定的光子能量和螺旋度下,反转铁电极化的方向,光电流的比值（开光比）高达563。 综上所述,二维InSe/In2Se3铁电异质结在椭圆偏振光的照射下可产生显著的光生电流效应,调控异质结的铁电极化方向,可获得大开关比和高偏振敏感度。本论文研究结果表明,二维InSe/In2Se3铁电异质结在偏振敏感的光电探测和非易失性存储等领域具有应用潜力,可为设计相关二维铁电电子器件提供理论参考。