基于二维拓扑绝缘体的磁开关和自旋过滤器

摘要

拓扑绝缘体作为一种新的物质态，自发现以来就受到科研工作者的关注，是近几年来凝聚态物理领域的研究热点，这主要是因为它不同于普通绝缘体和金属的奇异特性。和普通绝缘体一样，拓扑绝缘体在体内是有能隙的绝缘态，但是由于比较强的自旋轨道耦合作用，使得它的表面或者边缘是无能隙的金属态。这种无能隙的金属态是由拓扑绝缘体的体电子态的拓扑性质决定的，同时受到时间反演对称性的保护，不易受到非磁性杂质的影响，而且表面上的载流子可以进行无损耗的输运。这些新奇的物理性质使得拓扑绝缘体在量子计算和自旋电子学等领域具有非常高的科研价值，因此，研究如何约束和控制拓扑绝缘体的边缘态电子有着非常重要的意义。
　　作为电子器件中一个常见的装置，磁双势垒在传统的半导体二维电子气、新兴的石墨烯以及螺旋金属等各种物质中受到广泛的研究。在本文中，我们用基于python的kwant软件包，对具有磁双势垒的二维拓扑绝缘体HgTe的边缘态输运性质进行了数值模拟，主要计算了在平行结构和反平行结构中，电导随费米能和外加磁场变化的关系以及入射电子在HgTe波导中的几率密度分布。研究表明对于从导线的量子自旋霍尔态射入的电子，当它的能量在导线体能带的导带附近时，电子的输运性质主要依赖于两个磁势垒的磁化方向。当两个磁势垒的磁化方向相同时，具有合适自旋方向的电子能够完全透射;当两个磁势垒的磁化方向相反时，电子不能透过，受到完全的抑制，边缘通道关闭。这个研究说明:
　　(1)当磁双势垒的磁化方向反平行时，它可以作为一个磁开关。通过调节磁势垒的磁化方向，能够实现HgTe边缘通道的闭合;
　　(2)当磁双势垒的磁化方向平行时，它可以作为一个自旋过滤器，使具有某个自旋方向的电子通过HgTe的边缘通道。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 霍尔效应和反常霍尔效应

1．2 量子霍尔效应

1．3 量子反常霍尔效应

1．4 量子自旋霍尔效应

1．4．1 自旋霍尔效应

1．4．2 量子自旋霍尔效应

1．4．3 量子自旋霍尔效应的拓扑保护

第二章 HgTe边缘态输运性质的磁调控

2．1 引言

2．2 理论模型

2．3 数值结果及讨论

2．3．1 体系能谱图

2．3．2 电导随费米能的变化

2．3．3 电子几率密度分布

2．3．4 电导随磁场的变化

2．4 自旋轨道耦合和塞曼效应的影响

2．4．1 理论计算

2．4．2 结果与分析

2．5 本章小结

第三章 HgTe边缘态的自旋过滤

3．1 双磁势垒的自旋过滤

3．2 四磁势垒的自旋过滤

3．3 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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