二維電子氣是在二維平面內能自由運動,而垂直于該平面方向運動受限的電子系統(tǒng),它的獨特性質使其成為凝聚態(tài)物理領域的研究熱點之一。本書采用轉移矩陣方法,分別對半導體異質結、石墨烯和拓撲絕緣體表面幾種典型二維電子氣體系在鐵磁近鄰作用下的自旋相關輸運問題進行了較系統(tǒng)的研究,旨在為納米電子器件和自旋量子器件的設計提供物理基礎。

第一章簡要介紹了幾種典型二維電子氣體系的實現(xiàn)及實驗制備,以及它們的物理性質和應用背景。

第二章詳細介紹了介觀輸運研究中常用的轉移矩陣方法。

第三章根據(jù)薛定諤方程,研究半導體異質結二維電子氣在外加兩個不對稱磁壘作用下的自旋相關輸運性質。結果表明:不一致的磁壘可以使體系電導自旋分離,進而導致隧穿磁阻的自旋分離;磁壘間隔越小,不對稱性越明顯,自旋分離也越明顯。因此,通過適當調節(jié)外加磁壘的結構參數(shù),可以獲得自旋明顯分離的電導和磁阻。

第四章從Dirac方程出發(fā),分別研究了石墨烯和扶手椅型邊緣石墨烯納米條帶在兩個可調磁壘作用下的自旋相關輸運性質。結果表明:當兩磁壘相對高度差較大時,體系低能量區(qū)域禁止導通,且反平行情況下的透射譜不再關于入射角對稱;當兩磁壘間隔增大時,中間區(qū)域左行波和右行波的干涉增強，使透射譜更加離散化。當磁壘寬度變大時,由于衰減態(tài)的存在,凡是衰減長度小于勢壘寬度的電子波將不能透過勢壘。相應地,體系的隧穿電導和磁阻隨結構參數(shù)變化的特征與透射譜一致,磁壘絕對和相對高度的增強或磁壘寬度變大都會使得電導減小,磁阻增大,而磁壘間隔增大只是導致電導和磁阻振蕩加強。扶手椅型石墨烯納米條帶在磁壘作用下的輸運特性是：橫向受限導致橫向波矢離散化,所以磁化平行和反平行構型下體系都呈現(xiàn)平臺電導,由此導致了平臺磁阻。同時,條帶寬度不同,其能帶結構和輸運電導的特征也不相同。

第五章是我們研究的重點內容。利用轉移矩陣方法,研究了電磁復合超晶格作用下三維拓撲絕緣體表面的能帶結構和輸運性質,以及電子自旋極化的分布。結果表明:由于磁化方向從平行到反平行造成勢壘的結構差異,在同樣的能量窗口,反平行構型下子能級的數(shù)目多于平行情況。當磁壘足夠強時,平行和反平行構型下低能量區(qū)域子能帶都幾乎平行于坐標軸,這意味著傳輸速度趨于零,所以電子的傳輸將被禁止，而電壘的變化對體系能帶結構影響不大。體系的透射通道數(shù)目與能帶結構是一致的,磁壘增強時反平行情況下存在更寬的禁止導通區(qū)域。電壘增強時,當能量與電壘高度匹配時,只存在小角度入射的透射通道。此外,我們還研究了表面電子的自旋極化分布。在動量空間,其自旋極化分布表明反射電子和透射電子出現(xiàn)的能量區(qū)域與透射譜都是相對應的。由于自旋與動量的鎖定,反射電子自旋極化取向相對于入射電子旋轉一個角度,而透射電子與入射電子一致。但在坐標空間,入射區(qū)域電子平面內自旋極化只隨縱坐標周期性變化,但z分量不為零,打破了自旋平面的鎖定。在透射區(qū)只有透射波,因此該區(qū)域內電子自旋極化取向與坐標無關,只隨入射電子取向而變化。

第六章對本書相關研究工作進行了總結和歸納,并對二維電子氣體系在鐵磁近鄰作用下的輸運研究進行了展望。