关键词： MAGNETIC fields   ELECTRON transport   MESOSCOPIC phenomena (Physics)   HETEROJUNCTIONS   SPINTRONICS  

摘要： In recent years, the fabrication of novel building blocks for quantum computation- and spintronics devices gained significant attention. The ultimate goal in terms of miniaturization is the creation of single-atom functional elements. Practically, quantum point contacts are frequently used as model systems to study the fundamental electronic transport properties of such mesoscopic systems. A quantum point contact is characterised by a narrow constriction coupling two larger electron reservoirs. In the absence of a magnetic field, the conductance of these quantum point contacts is quantised in multiples of 2e(2)/h, the so-called conductance quantum (G(0)). However, in the presence of magnetic fields the increased spin-degeneracy often gives rise to a deviation from the idealized behaviour and therefore leads to a change in the characteristic conductance of the quantum point contact. Herein, we illustrate the complex magnetotransport characteristics in quantum point contacts and magnetic heterojunctions. The theoretical framework and experimental concepts are discussed briefly together with the experimental results as well as potential applications.

关键词： Ba-122铁基超导体   超导量子干涉仪   扫描参数   输运特性   工作原理   拆对效应  

摘要： 高温超导体的发现已经过去了二十多年,但其内在的物理机制还是并没有被完全地理解。2008年铁基超导体这个新的高温超导体的发现,为高温超导的研究提供了一个新的机遇。对于每一类新超导体,合成高质量的样品,确定其基本的超导性质,能隙结构和配对对称性是揭示其超导机理和其潜在应用价值的基础。本论文主要介绍了Ba1-xKxFe2As2单晶的生长,及通过电阻,Hall探针,点接触Andreev反射谱和扫描超导量子干涉仪测量对铁基Ba-122的超导性质,能隙结构和序参量的研究。\n 第一章我们将会回顾超导研究上的一些历史事件,介绍超导的一些基本性质及一些理论。之后我们将会简要介绍一下铁基超导体的发现及当前的研究状况。\n 第二章主要介绍了运用自助溶剂方法生长Ba1-xKxFe2As2单晶的过程及运用X射线衍射和能量损失谱,交流磁环率和电阻测量对样品的表征。之后我们报道了在Ba1-xKxFe2As2(0.23≤x≤0.4)单晶样品上磁场最高达9T的变温电阻测量和在Ba0.6K0.4Fe2As2单晶上的转角电阻测量的一些结果。\n 第三章首先讲解了我们自己搭建的一套Hall探针测量系统。然后介绍了运用Hall探针和样品振动磁强计在高压制备的SmFeAsO0.9F0.1多晶样品和Ba0.6K0.4Fe2As2单晶样品上进行的局域的和体的磁化测量。测量结果显示在SmFeAsO0.9F0.1的超导能隙上没有节点,而在Ba0.6K0.4Fe2As2样品上显示出多带的特性。\n 第四章我们简要介绍了点接触Andreev反射谱,之后报道了在Ba0.6K0.4Fe2As2单晶样品和电子型掺杂的系列的BaFe2-xNixAs2单晶样品上的测量。在Ba0.6K0.4Fe2As2上的结果可以用一个扩展的s波来很好地描述。对于BaFe2-xNixAs2样品,分析拟合显示了在这个系统中能隙结构从欠掺杂区无节点到过掺杂区出现节点的演化过程。\n 第五章介绍了扫描超导量子干涉仪测量系统的搭建和在一块80nm厚的铼膜上所做的测量。我们的扫描超导量子干涉仪测量系统能够同时获取样品表面形貌和磁分布图像。最大的扫描范围是70μm×85μm,磁分辨率为1.5×10-4Φ0/√Hz。对铼膜的测量表明样品对磁通的钉扎力非常弱。我们还得到了样品穿透深度随温度的变化关系,其表现出和BCS理论一致的行为。\n 第六章我们列举了在系列掺杂的Ba(Fe1-xNix)2As2单晶样品上进行的下临界场,隧道二极管振荡,比热和扫描超导量子干涉仪测量的结果。结合这些测量的结果,在这个系统中干净的两带模型被排除,而且不论是在欠掺杂区还是过掺杂区零温下的穿透深度λ(0)与样品的临界温度Tc表现出幂指数关系。这表明在这个系统中拆对效应非常重要。为了解释下临界场和扫描超导量子干涉仪测量结果的不同,我们进行了磁通穿透测量。\n 最后在第七章,我们对论文内容给出了一个详细的总结。

关键词： 密度泛函理论   量子尺寸效应   Pb薄膜   CoSi2薄膜   纳米储氢材料  

摘要： 新型纳米材料的研究与开发是当今材料研究领域的热点，一方面人们不断的发现新型纳米材料，观察其表现出的奇异性质，试图揭示其背后的物理规律并探索未来的潜在应用;另一方面又根据现有的理论和技术条件，以需求为导向，有目的的设计开发具有特殊性质的新型纳米材料。\n 在材料的特性研究方面，对于纳米材料，尺寸对其稳定性以及性质有着至关重要的影响，由于其特殊的尺寸和结构使其性质明显区别于块体。其中量子尺寸效应对金属纳米结构尤其是金属薄膜的形成和特性的影响又显得尤为突出，受到理论和实验的广泛深入关注。对于只有几个或几十个原子层厚的金属薄膜，由于界面的电子禁闭作用，电子的运动在薄膜的生长方向上受到限制，系统的能量不再随薄膜的厚度连续变化，而是表现出量子化的离散特性。这样一来，在薄膜的生长过程中，在一定的条件下量子化的薄膜能量和稳定性又能在原子层次调制薄膜的几何结构。同时，量子尺寸效应也能调制薄膜的电子结构，从而调制其相关的物理和化学特性，使得人们有可能在原子层次精确的控制薄膜的生长与特性。\n 在众多金属纳米材料中，Pb(111)超薄膜备受关注，一方面铅是软金属，另一方面，对于Pb(111)超薄膜，其层间距和生长方向上的费米波长匹配的很好，量子尺寸效应对其生长和特性的调制都较为明显。现在已经有许多理论和实验工作在其生长、稳定性、晶格弛豫、超导、热膨胀以及化学反应等方面取得了很多成果。我们关注的是与化学反应紧密相关的电子密度衰减长度的量子尺寸效应。另外，除了传统的金属或合金薄膜外，最近的实验研究在化合物的量子尺寸效应方面也取得了一定的进展，发现在Si(111)衬底上CoSi2(111)薄膜的生长不是连续的，只有特定厚度的薄膜才能在退火后保持稳定，这需要相关的理论工作来验证并从理论上解释其背后的物理机制。\n 在新型纳米材料的设计和开发方面，新型储氢材料的开发也是一个受到广泛关注的问题。为应对日益严重的能源危机和环境污染问题，新能源的开发和利用日益紧迫，氢能作为一种可循环、无污染、效率高的能源备受关注。在氢能的实际应用中，一个重大的挑战就是要找到一种安全、高效的方法来存储氢气，要求这种方法具有较高的储氢质量比、体积比，可以在室温下工作，并且比较廉价，便于商业利用。为此我们通过第一性原理计算研究了Li和Ti修饰的环硼氮烷以及Li和Na共同修饰的碳氮纳米管的储氢性能。\n 在本论文的第三部分，我们研究了量子尺寸效应对铅薄膜在化学反应方面的调制作用。我们利用第一性原理方法计算了不同厚度的自由Pb(111)薄膜以及生长在Si(111)衬底上的Pb(111)薄膜的电子密度衰减长度以及积分态密度随薄膜厚度的变化情况。我们发现与稳定性和功函数类似，电子密度衰减长度以及费米能级附近的积分态密度也表现出双层振荡的量子尺寸效应，且这种振荡被转变点所打断，即存在拍频现象，拍频周期为9个单原子层。Pb(111)/Si(111)薄膜的物理性质的振荡行为与无衬底的自由Pb(111)薄膜的振荡行为有所不同，存在一定的相移，这是由于衬底造成的。我们的计算结果与薛其坤小组的实验结果一致。\n 在第四部分，我们研究了CoSi2超薄膜的稳定性和层间弛豫与薄膜厚度之间的关系。我们的研究结果显示无论是自由的CoSi2(111)超薄膜还是沉积在Si(111)衬底上的CoSi2(111)超薄膜，他们的稳定性和层间弛豫都呈现出一种三层振荡的模式，与最近的实验结果相一致。我们还预言了自由CoSi2(100)薄膜的稳定性表现出双层振荡的模式，这有待于未来的实验证实。这种稳定性以及层间弛豫与薄膜厚度之间的振荡的依赖关系可以用量子尺寸效应来理解，在沿CoSi2(111)和CoSi2(100)的生长方向，其费米面非常平坦，以至于沿该方向的费米面片段表现出强烈的嵌套。由于费米面的嵌套，除了金属和合金之外，量子尺寸效应也强烈的影响CoSi2薄膜的稳定性和层间弛豫。我们的研究为控制稳定均匀的过渡金属硅化物薄膜的生长提供了一种新的方法，可以在电子工业中提高器件的性能。\n 在第五部分，我们研究了碱金属、碱土金属、过渡金属修饰的环硼氮烷的储氢性能。结果表明碱金属可以和无机分子环硼氮烷紧密结合，尤其是Li修饰的环硼氮烷，表现出很好的储氢性能，其质量比达到10.4wt％，氢分子的吸附能处于0.10～0.15eV/H2之间(LDA的计算结果在0.23～0.28eV/H2之间），适合于在接近室温的条件下储存和释放氢气。我们还发现Ti修饰的环硼氮烷的储氢质量比大约为7.2wt％，略低于Li修饰的环硼氮烷的储氢能力，但由于Kubas相互作用，其吸附能处于0.16～0.24eV/H2之间，大于Li修饰的环硼氮烷。因此该系统也适合于在室温条件下储存和释放氢气。\n 在第六部分，我们研究了Li和

关键词： 等离子体增强化学气相沉积技术   多量子阱结构   氮化硅薄膜   发光特性   掺杂效应   衬底温度  

摘要： 随着现代薄膜生长技术的发展，半导体薄膜已进入人工设计多层异质结构的新阶段。具有一维周期结构的晶态超晶格因为具有诸如量子尺寸效应等特性受到研究者的重视。但是组成晶态超晶格的两种材料要求具有较高的晶格匹配，否则缺陷态密度就会大到观察不到与量子尺寸效应有关的现象，因而极大地限制了材料的选择。非晶态超晶格的出现解决了这一难题，由于非晶态材料本身具有长程无序性，不具有晶格周期性，因此非晶态超晶格不要求组成的材料具有良好的晶格匹配，制备时也不需要严格的外延技术，例如PECVD及磁控溅射等一般薄膜技术即可。本文主要对a-Si/a-SiNx多量子阱结构以及a-SiNx薄膜的性质进行了研究。\n 本文采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD），用N2、SiH4和H2气体沉积了a-SiNx薄膜以及a-Si/a-SiNx多量子阱结构。并通过XRD、红外、拉曼和荧光光谱等技术的分析得出以下研究结果：\n 1）a-SiNx薄膜\n 本文制备的氮化硅薄膜为非晶态，通过控制N2流量可实现a-SiNx薄膜光学帯隙可调。同时N2流量、衬底温度和射频功率对a-SiNx薄膜的沉积速率、微结构和光致发光特性均有影响，掺氢对a-SiNx薄膜的光致发光峰起增强作用。对a-SiNx薄膜发光机理进行了探讨，并认为是由薄膜中导带、价带与缺陷态能级间的跃迁引起的。\n 2）a-Si/a-SiNx多量子阱\n 小角度X衍射谱分析表明制备的a-Si/a-SiNx多量子阱具有一定的周期性和层结构。a-Si/a-SiNx多量子阱中各子层厚度对其光学性质和电学性质均有影响，表现为：固定一子层厚度，逐渐减小另一子层厚度，多量子阱光学帯隙增大，光致发光峰蓝移，室温暗电导率增大。a-SiNx子层光学帯隙越大，越有利于a-Si/a-SiNx多量子阱的光致发光，室温暗电导也越大。经分析得出结论，这些现象主要是由量子限制效应和空间电荷掺杂效应引起的。

关键词： 拓扑绝缘体   S-N结   近邻效应   介观量子器件   低温电子输运性质  

摘要： 拓扑绝缘体是一种体内绝缘、表面导电的新型绝缘体。拓扑绝缘体的表面态电子具有诸多奇异的性质,例如手征性和线性色散关系,构成了独特的狄拉克费米子系统。一方面,有关拓扑绝缘体的研究具有重大的理论意义,这些研究极大地丰富了人们对物质分类的认识。另一方面,拓扑绝缘体也有着广阔的潜在应用前景,根据理论预言,Maiorana费米子有望在“拓扑绝缘体-超导体”界面上实现,其一旦成功,将会对未来的量子计算技术产生重大影响。\n 本文将首先介绍三维拓扑绝缘体Bi2Se3和Bi2Te3的基本性质和制备方法,然后重点探讨各种超导体一拓扑绝缘体量子器件的低温输运性质。\n 文章共分为六章。\n 第一章,介绍了有关拓扑绝缘体的基础知识和背景。\n 第二章,介绍了获得Bi2Se3和Bi2Te3晶体的方法。\n 第三章,是有关Sn-Bi2Se3单结电导谱的研究,报导了我们在Sn-Bi2Se3单结器件电导谱中看到的异常现象,包括一个零偏压电导峰和一个双能隙结构。这些现象表明,在Sn与Bi2Se3的界面上产生了一种具有非常规对称性的超导相。\n 第四章,报导了基于Bi2Te3的约瑟夫森结和超导量子干涉器的制备与测量。\n 第五章,讨论了Bi2Se3晶体中由近邻效应引发的独立超导态。通过测量靠近Bi2Se3-Pb界面的Bi2Se3晶体的电阻,我们直接探测到了近邻效应引发的超导态的存在。\n 第六章,对本论文的工作进行了总结与展望。

关键词： 多铁性材料   磁电耦合   量子化反常霍尔效应   贝利相位   第一性原理  

摘要： 磁电多铁性材料中可以通过电场来控制磁性或者磁场来控制电极化,在信息存储领域有很大潜在应用价值。由于铁电性要求绝缘体性质,而铁磁性需要未满的d或f能级,一般为金属性;此外从对称性考虑,铁磁性破坏了时间反演对称性,而铁电性破坏了空间反演对称性,磁电多铁性材料必须同时破坏时间反演和空间反演,因此磁电多铁性材料在自然界并不常见。仅有的几种材料或者居里温度较低,或者磁和电之间耦合很弱,目前的主要任务是寻找室温下具有强磁电耦合的多铁性材料。霍尔效应作为一种广义的磁电效应,在19世纪被发现以来,又发现了反常霍尔效应和自旋霍尔效应,量子化的霍尔效应和量子化的白旋霍尔效应也相继被实验证实,但是理论上存在的量子化反常霍尔效应,实验上一直未能证实,成为科学界研究难题。\n 本论文首先概述了多铁性材料及量子化反常霍尔效应的研究历程、理论和实验方面的进展及存在问题;然后对计算物理方法特别是基于密度泛函理论的平面波赝势第一性原理方法做了描述;最后详细介绍了利用该方法开展的几项研究工作:\n BiCrO3因为和多铁性材料BiFeO3类似,人们也关心其是否为多铁性材料。但是BiCrO3的晶体结构和是否存在铁电性在实验上存在争议,不同的研究组甚至得到完全相反的结论。我们通过第一性原理计算,发现BiCrO3厚薄膜的基态稳定结构是中心对称的Pnma结构,其原胞内Bi离子的铁电位移大小相等,方向相反,为反铁电材料。此外,它的基态磁结构是G型反铁磁构型,考虑自旋轨道耦合后,在Dzyaloshinsky-Moria作用下自旋发生倾斜不再共线,产生弱铁磁性,通过对称性分析我们发现弱铁磁性只能在晶体特殊方向出现。BiCrO3的亚稳态为非中心对称R3c结构,贝利相计算铁电极化可以达到75.39μC/cm2,实验中由于杂质,应力等可以使亚稳态晶体结构存在,导致实验上观察到铁电性。\n 为了寻找能实现量子化反常霍尔效应的材料,需要材料具有强的自旋轨道耦合作用,并且满足两个性质,首先必须具有磁性,其次要有能隙。基于此考虑,从石墨烯出发,注意到吸附原子可能在石墨烯体系引入Rashba自旋轨道耦合作用,我们研究了3d过渡金属和贵金属吸附石墨烯。吸附原子后,体系在垂直石墨烯平面方向不对称引入Rashba自旋轨道耦合作用,和磁性一起两者共同作用可以在吸附体系打开能隙。如Fe在4×4石墨烯表面空位吸附刚好在费米能级处打开5.5meV能隙,对其能隙以下占据带贝利曲率积分求和得出陈数为2,有望在实验上验证量子化反常霍尔效应的存在。贵金属原子吸附在碳顶位,打破了石墨烯AB子格子对称性,也具有能隙,其陈数为0。布里渊区中K与K\'陈数分别为±1,虽然总和相互抵消,但是不同能谷都具有非零陈数,对应量子化能谷霍尔效应。

关键词： 太赫兹量子级联激光器   半导体布洛赫方程   多体效应   发射极注入   电子输运  

摘要： 太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)是一种基于子带间电子跃迁的单极、全固态相干辐射源，具有能量转换率高、体积小和易集成等优点。最近十年，THzQCL的工作性能和应用都取得了非常迅速的发展。其中，THzQCL的电子输运模拟不但有力地推动了器件有源区和波导结构的设计，同时也为探究器件的物理机制提供了一种重要手段。本文的主要工作围绕THzQCL的电子输运模拟展开，主要研究结果及创新点如下:\n 1.发展了基于有效半导体布洛赫方程的THzQCL模拟方法，研究了上下激射能级间的多体效应。研究结果表明，当退相时间足够长时，多体相互作用会导致THzQCL增益回复过程中出现振荡现象。这是除共振隧穿外另一种能引起THzQCL中增益回复振荡的物理机制。同时，多体相互作用也导致非啁啾泵浦脉冲的共振频率发生红移。\n 2.基于包含共振隧穿的半导体布洛赫方程方法，研究了THzQCL共振隧穿过程中的多体相互作用。研究结果表明，由于多体相互作用使得共振隧穿两能级之间的能量差变小，共振隧穿的现象更加强烈。在非啁啾π脉冲激发后的增益回复过程中，多体相互作用的存在使得增益回复时间明显减小。\n 3.考虑THzQCL器件中的发射极注入，将器件有源区看做一个开放系统，完成了基于自洽布洛赫—泊松方程方法的THzQCL模拟，研究了THzQCL的稳态特性。自洽求解的结果表明，系统最终达到动态平衡，每个周期的电势随着时间不断变化。研究结果表明，自洽模拟比其它考虑周期性边界条件的模拟更接近实验结果，其对模拟结果的改进根源于自适应过程的引入。自洽方法能够在不增加计算复杂度的基础上给出更真实的THzQCL器件模拟结果。\n 4.采用包含光场的速率方程方法，模拟了THzQCL从非饱和态到饱和态的超快微观过程，研究了THzQCL中电子—光耦合的退相干效应。在较长的退相干时间下，非饱和增益系数较大，并且从非饱和状态到饱和状态的转变也较快。同时，在从非饱和态到饱和态的转变过程中出现了过饱和现象，尤其在退相干时间较长的情况下十分明显。

关键词： 单晶生长   等结构相变   高温超导体   莫特绝缘体  

摘要： 本论文的主要内容是采用高温高压的方法生长了0201型Cl系高温超导体(Ca2-xNaxCuO2Cl2和SrzCuO3Cl1.2)的单晶并研究了莫特绝缘体Ca2CuO2Cl2的电子态;研究了层状化合物Cu2Sb的压力效应以及“111”体系的化合物LiFexCO1-xAs的研制和表征,取得了有创新的研究成果。\n 一.采用高温高压的方法在6GPa,1200℃条件下生长Ca2-xNaxCuO2Cl2超导单晶。发现超导转变温度不仅与晶体生长条件(包括压力、温度以及时间)有关,而且也和晶体生长用的前驱体成分有着密切联系,即在同样的温度和压力条件下初始成分里面的氧化剂越少,Tc越低。高压原位电阻测量结果表明超导转变温度随着压力增加而降低,这和很多铜氧化合物超导体,尤其是同构的(La,Sr)2CuO4相反,出现这样的不同可能是顶角氧和顶角卤素与CuO面的耦合作用不同所致:设计了一种专用复合式组装解决了高温高压条件下含Sr体系化合物晶体生长的技术难题并成功制备出Sr2CuO3Cl1.2单晶;在Sr2CuO2+δCl2-y发现了60K的超导迹象。\n 二.Cu2Sb是与‘111’体系铁基超导体同构的一种层状化合物。利用高压同步辐射实验技术和Rietveld结构精修方法研究发现该化合物在4.5GPa出现一个等结构相变。晶格常数在压力作用下呈现各向异性的压缩率。高压下电阻测量发现其先减小然后保持不变最后再增加,电阻的非线性变化可能和电子态的变化有关,电阻的变化区间和等结构相变的压力区间吻合的很好。\n 三.LiCoAs是和“111”体系超导体LiFeAs同结构的另一个化合物。用固态反应方法制备出LiFexCo1-xAs(x=0.0-0.9)系列化合物并结合中子衍射研究了其物性。研究表明,不论LiCoAs还是LiFexCo1-xAs都不存在长程磁有序结构。LiFexCo1-xAs样品可以从LiCoAs连续掺杂过渡到LiFeAs,在这一过程中间一直保持单相,当掺杂量在0.4.的时候出现了类似自旋玻璃磁性

关键词： 二维电子气   石墨烯   量子输运   Hubbard模型   非阿贝尔涡旋   介观体系   高温超导体  

摘要： 介观体系是凝聚态物理十分活跃的前沿研究领域之一。它既具有基础理论研究意义，又具有重要应用价值。本论文采用转移矩阵方法和狄拉克方程对二维介观体系的典型代表——传统二维电子气结构和新型二维石墨烯材料中的电子输运现象进行了较系统的理论研究，目的在于揭示其中的新效应及其物理机制，并为其在纳米电子器件、自旋量子器件等领域的应用提供物理模型和理论指导。进一步，采用Bogomolnyi方法，研究了二维Hubbard模型规范理论的非阿贝尔涡旋解，可用其来理解凝聚态物理中新奇的现象，尤其是非常规高温超导体。\n 以下为本论文的主要工作进展:\n 1、提出了中心非对称因子，构建了中心非对称磁超晶格的理论模型，在系统研究结构中心对称性变化对电子自旋输运作用规律的基础上，发现透射率、电导和自旋极化率强烈地依赖于入射电子能量和结构中心对称性。当中心非对称因子足够大时，自旋极化几乎达到100％。这表明在中心非对称的有限超晶格中可以实现自旋注入。进一步研究发现对于中心非对称因子相同的两类互相镜像对称的磁超晶格，它们的自旋极化率却是相似的或者截然不同。此外，研究发现在中心非对称因子足够大的磁超晶格中，当反常垒也足够高时，在很大的能量范围内可获得100％的自旋极化。这为设计新型自旋电子学器件，如高效率自旋过滤器，提供了理论依据。此外，研究了电子隧穿δ-型磁量子结构的自旋极化效应，探明了磁势垒尺度变化及周期数对平行结构和反平行结构自旋极化率的作用规律。\n 2、构建了基于石墨烯非对称双垒阱磁量子结构的物理模型，研究了狄拉克电子隧穿该结构的输运性质。发现透射率不仅依赖于入射波矢的值，而且更强烈地依赖于横向波矢的大小和方向。这揭示了此结构是一个理想的波矢过滤器。研究发现，狄拉克电子展现了比普通电子更为显著的共振特性。这揭示了两种电子输运行为具有本质差异。\n 进一步探究了由周期非对称或对称双垒阱磁单元组成的磁超晶格中，石墨烯电子的输运特性。发现随着周期数增加，电子的透射率表现出共振劈裂特性。对称磁超晶格会发生(2N-1)重的劈裂，而非对称磁超晶格的共振峰劈裂是(N-1)重。此外，微带和微隙的位置不依赖于周期数，但是结构的对称与否却强烈地影响着微带和微隙的位置。这些结论表明这种磁超晶格结构有望作为电子能量过滤器。\n 3、构建了周期双δ-型磁势垒组成的磁超晶格模型，研究了该磁超晶格调制下石墨烯的磁阻效应。发现结构的对称性及磁垒间距对磁阻有很大的影响。进一步研究发现，不同周期对应的磁阻仅有一个峰值出现。当周期数增加时，在对称磁超晶格中，磁阻峰值始终固定在特定的费米能保持不变，而非对称结构的磁阻蜂位却在特定费米能附近发生漂移。这表明对称结构对于制造新型选择电子注入器件十分有利。而且，随着周期数的增加，相比对称结构，非对称结构的磁阻值迅速增加。对于合适周期结构，可获得最大值可达到1017％的巨磁阻。这将为设巨磁阻器件提供了新的思路。\n 4、采用场论分析方法，给出了二维Hubbard模型规范表示理论的BPS方程。在BPS方程基础上，构造了非阿贝尔涡旋解。这是第一次将高能物理中的宇宙弦理论应用到凝聚态物理中。发现非阿贝尔涡旋解的磁通量可以是半整数，这与阿贝尔涡旋的磁通量只能是整数有着本质不同。利用指标定理研究了系统的零模态，对于缠绕数为k的非阿贝尔涡旋，存在2k个波色零模态。此外研究了涡旋中心和边界的相图，发现涡旋中心是具有自旋能隙的半金属相，而涡旋边界处于有Neel序的绝缘体相。并将之分别对应到A类和CI类超导体。这个发现揭示了电子自旋空间的凝聚在高温超导体中有极其重要的应用，并为解释高温超导体的复杂相图提供了理论依据。

关键词： 量子功能材料   物理性质   稀磁半导体   超导体   晶体结构  

摘要： 本文系统探索研究了两类新型量子功能材料,包括“111”型铁基超导体新组元LiFeP的发现和基本物性以及Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族稀磁半导体Li(Zn,Mn)As及Li(Zn,Mn)P的发现和基本物理性质研究。主要内容包括:\n 一、参与本组对超导新体系“111”型铁基超导体的研究,发现了“111”超导体系新组元LiFeP,其超导临界温度(TC)～6K。此化合物的晶体结构与LiFeAs类似,同为Cu2Sb型结构,是目前为止“111”型体系中唯一的不含As元素的组员。LiFeP为顺磁金属,电子巡游特性较强,其P-Fe-P键角和P距Fe平面的垂直距离均对应铁基超导体的理想参量,。原位高压同步辐射X-ray衍射实验表明材料在压力达12GPa时晶体结构仍然稳定,原位高压电阻和磁性测量观察到TC随压力增加而线性下降,变化率为dTC(p)/dp=-1.23K/Gpa。\n 二、开展新型稀磁半导体的探索与研究,发现了基于Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族元素的新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As。经典的磁性半导体(Ga,Mn)As由于化学价态平衡浓度的限制,只能以二维薄膜的形式研制,通过Mn元素替代而只能实现空穴掺杂。LiZnAs与GaAs结构相似,等价的(Zn,Mn)替换使得Li(Zn,Mn)As在体材料中就可以实现较大的掺杂浓度,而理论上通过控制Li的含量也能控制载流子的类型和浓度,这使得Li(zn,Mn)As成为可实现白旋和电荷注入机制分离且可能同时实现p型和n型稀磁半导体的理想候选材料。我们制备的Li1+y(Zn1-xMnx)As体材料可以实现掺杂范围为-0.1＜y＜0.2,x＜0.15,最高空穴型载流子浓度为1020cm-3,得到了最高居里温度(TC)为50K的体样品,矫顽力小于100Oe,饱和磁矩可达3.01μB/Mn,最大有效磁矩为5.1μB/Mn。\n Li(Zn,Mn)P是在Li(Zn,Mn)As基础上发现的另一个稀磁半导体,我们得到最高TC为34K,矫顽力约为50Oe;最大饱和磁矩为1.6μB/Mn,最大有效磁矩为4.4μB/Mn,Li(Zn,Mn)P的有效磁矩小于理论值。电输运测量表明,所有Li(Zn,Mn)P样品均为空穴型半导体,Li1.04(Zn,Mn)P系列样品的载流子浓度为1017cm-3。