关键词： 石墨烯   石墨烯条带   量子输运   量子抽运   纯赝自旋流  

摘要： 石墨烯是把两个等价碳原子交替排列在一个六角晶格上形成的一种二维结构的平面材料。它从发现之初就受到了广泛的关注,是因为石墨烯被证实了存在很多奇特的电子特性,比如在狄拉克点附件的线性色散关系,整数和半整数的量子霍尔效应,高的电子迁移率等等。所有的这些奇特性质使石墨烯成为半导体工业中硅的理想替代品。同时为了在石墨烯的能带结构上产生一个带隙,可以沿着特定的晶格方向对其进行切割,这样得到的石墨烯条带在狄拉克点附近存在一个能隙。与二维石墨烯相比,一维的石墨烯条带在输运性质上也发生了很大的改变。除了可以在狄拉克点产生带隙外,狄拉克点的另一个性质是位于布里渊区两端的两个狄拉克点是简并的(被视为一种赝自旋)。通过区分两个简并的狄拉克点,得到两个与赝自旋方向有关的电流,这种性质可以被用来制作成赝自旋电子器件。而量子抽运是一种非常有效的产生电流的方法。 本论文主要研究了一维双层扶手椅形石墨烯条带的输运性质和赝自旋方向有关的抽运电流。论文的内容主要包括以下这些方面。 第一章从四个方面讲述了论文的研究背景。首先实验室中几种常用的石墨烯制备方法被列举出来进行了比较。然后我们详细讨论了一些石墨烯的基本特点。因为在这里主要关注的是石墨烯的输运性质,所以紧跟着通过与宏观和微观系统比较,我们介绍了介观体系下的电子输运。本章的最后提到了石墨烯在工业领域上存在广泛的潜在应用,并且它已经开始逐步走进我们的生活。 第二章是理论部分,主要详细推导了计算过程中用到的各种公式。紧束缚近似模型,格林函数方法,散射矩阵是研究介观体系输运性质常用的方法。另一方面,量子抽运区别于它们也是一种常用的产生电流的方法。 在第三章我们研究发现了从单层石墨烯条带入射的电子,经过一个双层区域,电子的透射几率随着两层相对位置的变化出现周期震荡。这是因为一个基本单元中每个电子的几率密度不同,有大有小,当两个较大几率密度的电子存在相互作用时层间相互作用强。因此当两层有相对移动时,存在层间相互作用的原子发生变化,导致层间相互作用的强弱发生改变,从而影响了通过两层区域时电子透射几率的大小。透射几率出现周期性震荡的性质可以用来测量层间的相对位移,并且精度可以达到10-10这个量级。 第四章中用量子抽运的方法在一个局域拉伸的石墨烯中产生了一个纯赝自旋电流。完美石墨烯中K点和K’点是简并的,通过拉伸石墨烯可以消除简并。同时考虑两个反平行铁磁引起的矢量势,在一个由三个势垒构成的结构中就产生了一个与赝自旋指数有关的电流。因此这样的一种结构可以被用来制作赝自旋电子器件。 延续第四章中的工作,我们用带隙来解除K点和K’点的简并去产生一个纯的赝自旋电流。部分区域用BN作衬底可以产生一个与空间位置有关的带隙,在上一章中三个势垒的结构上再考虑两个平行的铁磁矢量势,就可以得到一个纯的赝自旋电流。 在本文的最后一章对各部分内容给出了一个总结。

关键词： 北京大学   凝聚态物理   博士后   材料科学   招聘启事   量子  

摘要： 北京大学量子材料科学中心(ICQM,http://***/)是直属于北京大学的一个新型教学与科研机构,成立于2010年1月。中心以北京大学深厚学术底蕴和多学科综合优势为依托,打造一个适合于凝聚态物理和材料科学基础研究的开放型学术平台。中心致力于创造良好的学术研究环境,通过广泛的国际/国内,校际/校内合作,吸引一批国际一流的科学

关键词： 量子点   主方程   全计数统计   散粒噪声  

摘要： 量子点因其特殊的结构和广泛的应用已经涉及到物理、化学、生物和材料等学科及其交叉领域。本文首先介绍了量子点基本情况,包括量子点的结构、特性、应用等。其次,介绍了量子主方程以及全计数统计的基本方法。最后,基于有效粒子数分辨的量子主方程,研究了金属-量子点-铁磁(N-D-F)、铁磁-量子点-金属(F-D-N)、铁磁-量子点-铁磁(F-D-F)三种耦合双量子点系统电子输运的全计数统计,讨论了量子点中的自旋交换作用和电极极化对平均电流和散粒噪声的影响,分析了自旋单态和三重态在电子输运过程中对平均电流和散粒噪声的贡献,并借助于自旋阻塞引起的聚束效应解释了超泊松散粒噪声的形成。主要结论包括：(1)F-D-N系统,对于自旋耦合J=0,源极极化pL不会影响电流和散粒噪声；对于J=-1F,电流和散粒噪声也基本上不随pL改变；对于J=1r,随着pL增加,单态参与输运的电流减小,散粒噪声增加,三重态参与输运的情况正好相反。(2)N-D-F系统,对于J=0,±1r,无论是单占据态输运还是双占据态输运,电流随着pR增加而减小,散粒噪声则随着pR增加而增加,甚至达到超泊松分布。(3)F-D-F(平行)系统,无论是单占据态输运还是双占据态输运,对于J=0、±1r,电流不随p改变,但散粒噪声随p的增加而增加,而且可以达到超泊松分布。(4)F-D-F(反平行)系统,对于J=0、±1r,电流随着p增加而减小,散粒噪声随着p增加而增加,单态输运的散粒噪声甚至可以达到超泊松分布。这些噪声的增加以及超泊松噪声的形成可以借助与自旋阻塞机制(或聚束效应)解释。

关键词： 铈基强关联电子材料   磁性   超导   量子相变  

摘要： 新颖的量子态和与之相关的量子相变是当前凝聚态物理研究的热点问题。在强关联电子体系中,d电子和f电子间的相互作用可以导致非常丰富的物理现象,例如磁性、重费米子、超导电性、量子相变、Kondo绝缘体以及非费米液体行为等。铈基化合物是重要的强关联电子体系,其基态性质通常由Kondo效应和RKKY相互作用竞争而决定。通过掺杂、压力或者磁场等外部参量来调节d电子和f电子间的相互作用,人们可以有效地调控关联电子材料的基态性质,从而产生丰富的物理相图。本论文主要探索和制备了几类不同的铈基材料,包括铈基磷族类化合物和重费米子材料,研究了这些材料中由d电子和f电子相互作用而产生的独特物理现象,包括超导、磁性以及量子临界行为等。 本论文的研究主要集中在以下五类不同的铈基材料： （1）CeFe1-xCoxAsO和GdFe1-yCoyAsO中3d-4f电子间的相互作用研究。这两个体系代表了完全不同的4f电子磁矩系统。随着温度降低,CeFeAsO和GdFeAsO都经历了结构相变并伴随着Fe3d电子的自旋密度波（SDW）转变。通过Co/Fe的替换,结构相变和Fe的SDW转变很快被抑制,超导出现在很窄的掺杂范围内：0.05＜x＜0.2（Ce）和0.05＜y＜0.25（Gd）,最高超导转变温度分别为13.5K（Ce）和19K（Gd）。在整个掺杂范围内,稀土4f电子在低温都形成了反铁磁序（AFM）,而Co3d电子在靠近Co端却形成了铁磁序（FM）,其居里温度在x=1和y=1都达到了TCC0≈75K。在Ce基材料中,当Fe的SDW转变被抑制,4f电子的奈尔温度TNCe有所升高;但随着Co含量的进一步增多,TNCe基本不变（TNCe≈4K）;而在x＞0.8时,Co的铁磁性对Ce的磁矩有很强的极化效应。在Gd基材料中,Gd和Co磁矩间的反铁磁耦合导致了Co端材料形成了亚铁磁结构。当0.7≤y＜1时,体系在Gd的AFM态内（T＜TNGd）还经历了磁重新取向的相变。这些实验结果表明,在稀土铁磷族化材料中,d-f电子间的杂化和磁交换耦合作用产生了丰富的物理相图。 （2） CeCoAs1-xPxO的化学压力效应研究。在CeCoAsO中,Co3d电子形成长程FM序,居里温度为TCCo≈75K;而Ce4f电子在低温形成长程AFM序,其奈尔温度TNCe≈6.5K。随着P/As的化学替换,Co的FM序对化学压力非常不敏感,其居里温度在整个掺杂范围内基本不变;类似地,Ce的奈尔温度TNCe在x＜0.9的范围内基本不随x变化;但在x≥0.9时,Ce的AFM序消失,.体系在低温呈现出重费米子态。另外,在整个掺杂区间内没有观测到超导电性。P/As的替换相当于化学压力,有效地增强了Ce4f电子和Co3d电子间的杂化效应,从而导致了低温电子比热系数的发散和Ce-AFM序的消失。这些实验结果表明,在CeCoAs1-xPxO体系中,在x=0.9附近可能存在与f电子相关的量子相变。 （3） CePd2As2-xPx中的磁性转换。CePd2As2-xPx具有ThCr2Si2类型的晶体结构,其中CePd2As2在TN≈15K经历了AFM相变,并且显示了中等大小的电子比热系数γ=88mJ/molK2。随着P/As的化学替换,在x≤0.6时,TN基本不随x变化;而在x≈0.4附近,FM序在T＜TN时逐渐形成,其居里温度随着x的增大而逐渐升高;FM相变在x≈0.6与AFM相变重合。随着x的进一步增大,材料显示了典型的FM行为,其居里温度也逐渐升高,并在CePd2P2中达到了28K。另外,在靠近As端的样品中还观测到了变磁相变;但是在x≥0.4时,变磁相变又消失了。CePd2P2的FM相变可以通过Ni/Pd的化学替换被逐渐抑制,Ni端的材料显示了非费米液体行为和重费米子态。CePd2As2-xPx中易调控的磁性基态给我们提供了研究量子临界行为的良机。 （4） CePd3As2的反铁磁序及磁致非费米液体行为研究。CePd3As2形成单斜的晶体结构,具有两个不同的Ce格点,并且在TN≈2.2K经历了反铁磁相变。在奈尔温度之上,它显示了中等大小的电子比热系数γ=63.5mJ/molK2。在外加磁场的作用下,电阻和比热在TN处的转变变弱,奈尔温度TN逐渐向低温移动;在μ0H=9T的磁场下,比热在1.7K仍旧显示了微弱的相变。另外,在AFM态内,Ce4f电子的磁矩在外加磁场作用下重新取向。在2T≤μH≤6T的磁场范围内,电阻,磁化率和比热上都显示了某种非费米液体行为。 （5）重费米子化合物CeIrIn5的超导与磁性研究。CeIrIn5是一个典型的重费米子超导体,但其超导配对机制一直具有很大的争议,缺乏直接的实验证据。为了澄清这一重要的物理问题,通过化学掺杂和多种常规物性测量,我们详细地

关键词： Silica  

摘要： In the 150 years that scientists and engineers have used Maxwell's equations to describe electromagnetic phenomena, canonical scattering and radiating problems have played a very important role, providing explanations of and insights into their underlying physics. With the same intent, a variety of active coated nano-particles are examined here theoretically with regard to their ability to effectively enhance or jam the responses of quantum emitters, e.g., fluorescing molecules, and nano-antennas to an observer located in their far-field regions. The investigated spherical particles consist of a gain-impregnated silica nano-core covered with a nano-shell of a specific plasmonic material. Attention is devoted to the influence of the over-all size of these particles and their material composition on the obtained levels of active enhancement or jamming. Silver, gold and copper are employed as their nano-shells. The over-all diameters of the investigated coated nano-particles are taken to be 20 nm, 40 nm, and 60 nm, while maintaining the same ratio of the core radius and shell thickness. It is shown that the jamming levels, particularly when several emitters are present, are significantly larger for particles of larger sizes. These configurations are also shown to lead to the largest enhancement levels of the surrounding quantum emitters. Furthermore, for a fixed particle size and for a gain constant that produces the largest enhancement peak at optical wavelengths, it is demonstrated that these larger levels are most notable when the nano-shell is gold.

关键词： 功能材料   中国科学技术大学   中国科大   招聘启事   博士后   设计中心   量子  

摘要： 国际功能材料量子设计中心(ICQD)成立于2008年,是一个依托于中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的研究实体。中心的使命是在量子信息和清洁能源两大领域促进理论与实验互动性合作的前瞻性研究,并促进国内外在这些领域的实质性合作与交流。更多信息请登录中心网站http://***。

关键词： 光通信技术   GaInNAs量子阱   施主结合能   电子-LO声子散射率   量子级联激光器  

摘要： 量子阱(QW)材料中电子的运动是二维的，在某一方向上受限，导致其能量的量子化，这样在阱内形成不同的能级。利用量子阱材料可以制作激光器、发光二极管、半导体光放大器等光通信器件，在光通信领域应用广泛。由于GaInNAs材料良好的温度特性，使其成为新一代光通信光源的最佳选择。有效质量近似和包络函数理论是研究低维半导体材料的基础。本文在此基础上，运用打靶法、变分法、以及费米黄金规则研究GaInNAs QW材料的一些物理性能。 1.简单介绍半导体材料，特别是GaInNAs材料的发展及其在信息技术发展中的应用。并且给出研究GaInNAs QW材料性能用到的一些主要理论方法。 2.采用变分法研究Ga1-xInxNyAs1-y/GaAs QW中电场、氮（N）和铟(In)组分及施主杂质的位置等对施主杂质结合能的影响。由理论计算可知：电场为零，施主杂质位于阱中心时施主的结合能最大。施主杂质的结合能，随着N组分的增大而增加；随着In组分的增加而减小。随着阱宽的增加，施主结合能先达到一个最大值然后再逐渐变小。随着电场的增大，施主杂质位于阱的右边时结合能增大，位于阱的左边时结合能减小。 3.运用费米黄金规则研究电子-LO声子散射率，随温度、阱宽、以及N和In组分变化的规律。由理论计算可知：N组分的增加使散射率增加；In组分的增加使散射率减小；随着温度的增加散射率单调增加，低温条件下散射率对温度不敏感，高温条件下随温度增加而增加；任意条件下阱宽为200附近散射率最大。 4.利用费米黄金规则研究电子-电子的散射率。由理论计算可知：随着N组分增加材料的介电常数减小，电子-电子散射率增加；In组分增加，能级间能级差，电子-电子的散射率减小；并且温度的升高和电场强度的增加都可以使电子-电子的散射率减小；阱内载流子浓度变大和阱宽的增加，增大其散射率。此外，加入筛选因子降低散射率。 5.利用本文提到的理论计算方法，结合量子级联激光器的原理，对GaInNAs材料制作量子级联激光器进行了研究，发现可以实现粒子数反转。

关键词： 石墨烯   速度垒（阱）   Fano因子   电导   量子节拍  

摘要： 石墨烯已经展现出大量的新奇物理性质和潜在的纳米电子器件的应用价值，石墨烯输运性质的研究正在吸引着越来越多的关注。这种非相对论的二维电子系统的低能激发态满足狄拉克方程的二维无质量极限形式，即狄拉克-外尔方程。无质量狄拉克费米子的能带结构在狄拉克点附近具有线性的色散关系，其费米速度不依赖于动量，可以由电子间相互作用来控制和调节。 目前，速度阱（垒）等石墨烯速度调制结构吸引了广泛的研究兴趣。在该结构中费米速度依赖于在二维空间中的位置。比如：速度阱（垒）区域对应于其中的费米速度小于（大于）周围的背景区域。石墨烯速度调制结构中的输运性质与传统的由电磁场调控的石墨烯纳米结构很不相同，例如：速度垒的全反射角不依赖于入射电子能量，而是决定于费米速度比率，类似于光学中的折射率。因而，狄拉克费米子在这种速度调制结构中独特的输运性质为操控电子以及设计纳米电子器件提供了一个新的途径。 在本文中，我们集中于对石墨烯对称和非对称速度调制结构中电子输运性质的研究。主要内容和重要结果如下： 首先，利用传递矩阵方法，我们研究了石墨烯对称双速度垒（阱）结构在电场和磁场调制下的输运性质。通过在不同条件下对透射概率、电导和Fano因子的数值计算发现，速度垒（阱）结构的整体性质与静电势垒（阱）结构是相似的。与单速度垒（阱）相比较，双速度垒（阱）透射概率的角度依赖曲线的共振峰数量显著增加了。对于组合的速度垒和静电势垒，Fano因子在费米能大于狄拉克点的区域仍然保持强烈的振荡，这表明速度调制效应显著地扩大了静电势垒的共振隧穿区域。对于速度阱来说，其电导和Fano因子比速度垒情形振荡得更快且更强烈，这是与速度阱中准束缚态相关联的共振透射导致的。当施加磁场时，磁垒所产生的Fano因子的泊松值平台可以被速度阱（垒）效应缩短（展宽），当速度阱的速度比率小于临界值c时，能够消除泊松值平台。此性质可以为我们提供一种利用速度阱的速度比率来调节输运的导通和关闭状态的方法。在狄拉克点处，不同速度比率情况的电导和Fano因子都取相同的数值。对于临界值，EcF和E c的半定量分析结果与数值计算结果相符合。 其次，我们研究了石墨烯非对称双速度阱和静电势阱结构的输运性质。我们发现对于对称双阱情形，随着费米能的增大电导呈现出周期性振荡行为。而对于非对称双速度阱，电导的振荡中展现出量子节拍现象。节点的位置依赖于非对称双速度阱的尺寸及不对称的程度。非对称双量子阱中的拍频精确地等于与双量子阱中两个阱的结构参数分别相同的两个孤立单阱中的振荡频率差。节拍效应也可以在非对称双静电势阱中出现，但是仅对于阱宽不同的情况才存在节拍现象。这表明电导的振荡频率几乎不依赖于静电势阱的阱深，静电势对于共振能级间隔的影响是很小的。根据共振能级结构依赖于量子阱的尺寸，我们提出了一个对节拍效应的解释。由于节拍现象是与结构对称性相联系的，所以这种量子节拍效应可以为鉴别双量子阱结构的对称性提供一种新的途径。

关键词： 北京大学   凝聚态物理   博士后   材料科学   招聘启事   量子  

摘要： 北京大学量子材料科学中心(ICQM,http://***/)是直属于北京大学的一个新型教学与科研机构,成立于2010年1月。中心以北京大学深厚学术底蕴和多学科综合优势为依托,打造一个适合于凝聚态物理和材料科学基础研究的开放型学术平台。中心致力于创造良好的学术研究环境,通过广泛的国际/

关键词： 量子输运   拓扑绝缘体   普适电导涨落   弱反局域化   相干耦合   统计对称性  

摘要： 拓扑绝缘体是一种新奇的量子态物质,它的体内是普通的能带型绝缘体,而在表面上存在狄拉克型的传导载流子,这种受时间反演对称性保护的拓扑表面态具有低能量耗散的输运性质,因而在自旋电子学和量子计算机中具有潜在的应用价值。在本工作开展的时期内,拓扑绝缘体的研究工作快速进展,特别是角分辨光电子能谱实验和扫描隧道显微实验在发现拓扑新材料和鉴定拓扑表面态方面取得了丰硕的成果。然而,以探索狄拉克费米子的拓扑辛输运(topological symplectic transport)为目的的输运实验则进展缓慢,有两点重要的因素导致了这一现状：一方面是由于残余的体相载流子使系统的费米能级与体导带相交,从而掩盖了表面态的输运贡献；另一方面则是两个表面之间的隧穿耦合或表面与体载流子的耦合使得表面态的拓扑性退化,从而表现出平庸的输运性质。在本文中,我们优化生长工艺抑制了拓扑绝缘体Bi2Te2Se材料的体相电导,利用机械剥离的方法降低系统的厚度以进一步抑制体相贡献,最终制备出可供研究表面态输运的Bi2Te2Se纳米带场效应管器件。我们对其低温磁输运性质进行仔细研究,获得了拓扑表面态及其相互作用的量子输运证据。研究成果可以总结为如下三部分：(1)首次实验观察到拓扑绝缘体的二维普适电导涨落(UCF)效应,并从变角、面内磁场调控和标度分析等方面对其进行系统研究,证实UCF的拓扑起源。首先,通过改变磁场扫描方向和温度,证实Bi2Te2Se纳米带的高场磁电阻曲线中出现的无规涨落是由UCF引起的。而且,这些电导涨落特征峰只依赖于磁场在样品平面法向上的分量,从而说明该UCF的二维特征。然后,在面内磁场调控以抑制体相相干性的实验中,观察到的UCF幅度与面内磁场无关的现象证明了体相载流子不会贡献UCF效应。于是将二维UCF的起源归于表面态。最终,通过自平均的标度分析得到了样品的内禀UCF幅度,再与理论预期值相比较。结果表明实验值更接近于拓扑表面态的预期值,从而排除拓扑平庸二维电子气(2DEG)贡献UCF的可能性。最终证明了Bi2Te2Se纳米带中UCF现象的拓扑起源。(2)拓扑表面态之间的耦合-退耦转变的实验观察及其调控。弱反局域化(WAL)效应是研究拓扑绝缘体中多个导电通道相互作用的有效途径,因为拓扑绝缘体的WAL理论参数之一——α能够反映系统中的导电通道数的变化。我们系统地研究了不同厚度的Bi2Te2Se纳米带的WAL现象,表面态的贡献通过减去体相电导而获得,理论拟合就得到了a随样品厚度(H)的变化。从实验结果可以看出,α从～0.5突然减小～0.25时,伴随着H超过体载流子的相干长度。α随厚度的变化意味着上下两个表面之间发生了耦合-退耦转变,而在退耦时的α～0.25表明在表面上同时存在着一个表现出弱局域化的拓扑平庸2DEG。而α与门电压无关的现象则说明该拓扑平庸的2DEG只能位于上表面,而在下表面只有拓扑表面态存在。于是,a随H的突变揭示的是位于上表面的拓扑表面态和拓扑平庸2DEG的杂化态(TSS+2DEG)与下表面的拓扑表面态之间的耦合-退耦转变。究其机制,是以体相载流子为媒介的拓扑表面态之间的相干耦合。其耦合条件包括：(i)表面电子从上表面扩散至下表面的时间不能超过表面态的相位弛豫时间；(ii)电子在体内的扩散时间不能超过体相的相位弛豫时间。其中任一条件的缺席都会导致退耦发生。进一步的面内磁场调控证实了这一物理图像。(3)拓扑表面态的统计对称性初探。UCF的幅度依赖于系统的统计对称性。对于单个拓扑表面态,外磁场的出现将驱使系统从高斯辛系综转变为高斯幺正系综。在费米能级远离狄拉克点的情形下,对应着UCF幅度随磁场会增大(?)倍。我们测量了一个Bi2Te2Se纳米带在不同磁场下的由门电压调制的UCF,实验结果表明其UCF幅度随磁场增加而减小了(?)倍,这与理论预期相矛盾。我们提出,应当考虑该样品的厚度小于其体相相干长度的条件,从而说明其两个拓扑表面态处于耦合状态。在这种情形下,系统处于高斯正交系综,外磁场出现将引起UCF幅度减小扼倍。从而正确地解释了实验结果,而更多的验证仍在进行中。