介觀干涉儀中的量子輸運.pdf

1、介觀體系這一概念是人們在研究凝聚態(tài)物理時從無序系統(tǒng)中逐漸形成的。由于介觀系統(tǒng)所具有的獨特量子行為，使得以量子理論為基礎的半導體介觀電子學成為凝聚態(tài)物理及半導體材料物理等領域的研究前沿之一。當前，隨著科學技術的發(fā)展和微加工技術的進步，實驗上已經能夠制備出尺寸能夠達到介觀尺寸的量子器件。因此，對介觀系統(tǒng)中的電子輸運的研究不論從理論上還是從實驗上都引起了物理學家們的極大興趣。另外，量子相干現象已在各種介觀器件的電子輸運實驗中觀測到。Aharo

2、nov-Bohm(AB)效應展示的介觀環(huán)結構中量子相干現象就是一個典型的實例。當外加磁場改變時，電子通過兩條路徑所產生的量子干涉效應將引起量子平行電阻中的電導振蕩。對于一個孤立的介觀環(huán)，磁通可以在環(huán)內產生沿著環(huán)路流動的電流，這種電流被稱作持續(xù)流。1995年，Javarnnar和Deo等人在研究開放介觀環(huán)的過程中發(fā)現，在無磁場的情況下介觀環(huán)里也會出現一個沿著環(huán)路循環(huán)的電流。而且只要在環(huán)兩端施加的偏壓不變，這個電流就是無耗散的，會一直存在。

3、這就打破了以前人們認為的只有在有磁場存在的情況下環(huán)路中才會出現循環(huán)電流的觀念。剛開始人們把這個電流也叫做持續(xù)流。但是隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現這個電流和前面的持續(xù)流截然不同。直到現在，人們對持續(xù)流和循環(huán)流的性質和物理起源仍然不是很了解。
　　本論文主要是研究介觀干涉器件中的量子輸運現象。特別是對介觀環(huán)中的持續(xù)流和循環(huán)流的本質做了進一步的比較。具體將研究 Buttiker和Jayannavar-Deo圖像中的持續(xù)流定義引起的差別，

4、以及介觀干涉儀中由不同的物理根源引起的持續(xù)流定義。實際上，對于存在AB磁通的電子輸運，Onsager關系要求輸運電流必須是AB磁通的偶函數。由這個必要條件，我們預言這兩個不同的電流公式有不同的物理起源。而其中的一個是基于局域電流的量子干涉性所引起的循環(huán)流。
　　在第二章中，為利用上述結論來研究量子器件中的量子輸運現象，我們設計了一個不存在外磁場存在情況下的理想的兩端口環(huán)路介觀干涉儀（介觀環(huán)）。我們回答了電子透射中Fano反共振點是

5、否是出現循環(huán)流的必要條件的問題。同時，我們總結出了一個普適的兩端口介觀環(huán)中循環(huán)流的定義式。此定義式區(qū)分了Buttiker定義式中經典循環(huán)流和量子循環(huán)流混淆的部分，完全拋開了其經典的一面。從根源上闡明了其具有的普適性。我們發(fā)現即使在介觀環(huán)的上下兩臂長相等而量子干涉發(fā)生在傳播波和衰減波之間的時候，在透射系數不為點（Fano反共振點）的時候仍然會出現一個循環(huán)流。由此可以看出循環(huán)流不僅僅在上下臂長不相等的時候才會出現。這就打破了以往人們對循環(huán)流

6、的普遍認識。當介觀環(huán)上下臂長的不對稱性一直增加到某一臨界值的時候，第一個Fano反共振點才會出現，而且Fano反共振點附近有循環(huán)流的存在。簡言之，本章的研究證明在兩端口的介觀干涉儀中Fano反共振點并不是循環(huán)流產生的必要條件。
　　在第三章中，我們進一步研究了當兩端口的介觀環(huán)的其中一端連接一個超導體的情形。我們主要關注于電子在此介觀干涉儀中由于超導體相關性和Fano干涉效應的共同作用下所產生的一系列量子輸運現象。我們發(fā)現由于超導體

7、相關性和量子干涉效應，在準粒子激發(fā)能為零的時候，介觀干涉儀中的量子輸運產生了所謂的Fano-Andreev反共振現象。在準粒子激發(fā)能為有限值的時候，每一個Fano-Andreev反共振點都會被劈裂成兩個。在這些劈裂的Fano-Andreev反共振點上，包括輸運電流和循環(huán)流在內的所有電流都會消失。但是對于較高的超過超導能隙的激發(fā)能量，準粒子會直接透射進超導體，從而破壞處于較高能量那個Fano-Andreev反共振點。在Fano-Andre

8、ev反共振能量附近，由于干涉儀中上下臂長不對稱所引起的量子干涉形成的循環(huán)流在復能量空間上出現了兩種類型的反共振結構。循環(huán)流的大小和方向在很大程度上依賴于超導相關性。在遠離Fano-Andreev反共振點的地方，我們發(fā)現在特定的費米能區(qū)間內會出現只有電子型準粒子循環(huán)流或空穴型準粒子循環(huán)流的情形。因此，只有空穴型準粒子循環(huán)流存在的現象也可以作為一種用來實驗上驗證 Andreev空穴準粒子存在的方法。另外，我們也討論了超導體界面上的界面勢效應

9、對輸運電流和循環(huán)流的影響。我們發(fā)現被純凈超導界面的電流幅值所歸一化的輸運電流和循環(huán)流有著同樣的電流行為，并且它們顯示出同樣的()I Z Z-電流曲線。這就意味著超導界面勢對輸運電流和循環(huán)流的影響是相同的。這個普適的歸一化電流隨著界面勢的變化遵循著三種不同的電流特征行為類型。我們也討論到了Fano-Andreev反共振能量附近三種不同的電流特征行為類型之間的轉變行為，并且給出了一個電流行為轉變圖。我們觀察到此介觀干涉儀中的一種準振蕩行為的