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多量子点/超导体复合体系中josephson相变的理论研究

多量子点/超导体复合体系中Josephson相变的理论研究

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作者：钟苏瑞东北大学

学位级别：硕士

随着纳米技术的不断发展,人们对各种器件的制作工艺也越来越高,各种微米甚至纳米尺度的器件也能很好的制备。其中量子点(Quantum dot)这种可以使电子三维受限的准零维结构受到了许多科研工作者的关注。如在多量子点与正常金属电极耦合时... 详细信息

随着纳米技术的不断发展,人们对各种器件的制作工艺也越来越高,各种微米甚至纳米尺度的器件也能很好的制备。其中量子点(Quantum dot)这种可以使电子三维受限的准零维结构受到了许多科研工作者的关注。如在多量子点与正常金属电极耦合时,由于二阶段Kondo效应对多个量子点中电子自旋的屏蔽作用,使得体系的Kondo温度和电导发生改变。而在量子点与超导(SC)电极耦合时,可以观察到Fano效应,josephson效应以及由于各种电子关联效应之间的相互竞争与合作所引起的josephson结中电流0-π转换现象。而其中π结可以构造超导量子比特,因此在量子计算以及量子信息传递方面有着极其广泛的应用前景。因此对于多量子点耦合体系中的量子输运性质的研究具有非常重要的理论意义和应用价值。在这种背景下,本文通过数值重整化群(NRG)方法和严格对角化方法分别研究了三量子点分子耦合正常金属电极和耦合超导电极的T型结构中的量子输运性质。首先,考虑耦合正常金属电极的情况,体系由三个量子点串联耦合而成,而电极只与第一个量子点耦合,整个体系呈现T型的几何结构。采用数值重整化群方法计算,我们发现,在两个不同的量子点间耦合系数的情况下,体系的电导谱会呈现出完全不同的特点。我们通过分析量子点分子的不同子空间的基态能量,并且利用Schrieffer-Wolff变换方法,导出了体系的Kondo效应的Kondo温度的表达式,结合体系的态密度以及熵等热力学量的变化特征解释了体系中的输运性质的特点。接着,我们研究了耦合超导电极时josephson电流的性质。我们研究发现,由于体系中存在Kondo效应以及量子点中电子间的自旋关联效应的相互竞争机制,在不同的量子点之间的耦合系数的情况下,我们可以观察到体系中的多种josephson电流的0-π转换现象。当两个量子点之间的耦合系数比较大时,随着量子点能级的变化,这两个量子点会形成一个类似于大量子点的分子态,占据分子态中的电子再与另一个量子点中的电子相互作用。耦合系数大小的不同将会导致这种分子态形成的位置不同。因此,通过调节各量子点之间的耦合系数,josephson电流会表现出更丰富的0-π转换现象。我们认为,体系中存在的多种电子关联效应的相互竞争与合作,正是导致0-π转换的内在原因。此外,体系中由3个电子占据转变为2个电子占据的过程中,二阶段Kondo效应也会引起josephson电流出现极值,并且在发生相变时电流不会骤变。这一工作对于量子点耦合超导电极中josephson电流的研究具有参考价值。

关键词：量子点电导 Kondo效应 josephson相变

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