ترابرد کوانتومی در نانوساختارهای گرافینی گاف دار
چکیده
گرافین، لایه ای دوبعدی از اتم های کربن با ساختار شبکه ای لانه زنبوری است که حامل های بار در آن مانند فرمیون های دیراک بدون جرم رفتار می کنند و دارای دو درجه آزادی اضافی شبه اسپین زیرشبکه و متناظر فضای وارون آن، وادی، هستند. در این پایان نامه، اثر درجه آزادی شبه اسپین را بر خواص ترابرد کوانتومی در نانوساختارهای گرافینی نرمال و ابررسانا بررسی می کنیم. در قسمت اول از این پایان نامه، به مطالعه امکان تحقق ترابرد کوانتومی شبه اسپین قطبیده در گرافین تک لایه گاف دار می پردازیم. در گرافین تک لایه گاف دار، تقارن شبه اسپین زیرشبکه شکسته شده است، به طوری که این سیستم به صورت یک شبه فرومغناطیس (pf) با بردار شبه مغناطش ( ) عمود بر صفحه گرافین رفتار می کند. نشان می دهیم که اندازه بردار شبه مغناطش وابسته به پتانسیل شیمیایی است و جهت آن را می توانیم با تغییر نوع دوپینگ از الکترون (n) به حفره (p) تغییر دهیم. با استفاده از این شبه فرومغناطیس ها، سوپاپ شبه اسپینی پیشنهاد می کنیم که شامل دو ناحیه pf در اتصال با یک گرافین نرمال غیرشبه مغناطیده (n) است و برای سوئیچ کردن جریان الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. ساختار پیشنهاد شده دارای مقاومت شبه مغناطیسی است که با نسبت اختلاف مقاومت دو پیکربندی موازی و پادموازی مشخص می شود و می تواند مقدار یک را بگیرد. این اثر سوپاپ شبه اسپینی کامل برای طول های بزرگ از ناحیه نرمال نیز وجود دارد. ما این اثر را برحسب نفوذ بلندبرد غیرمعمول قطبش شبه اسپینی تعادلی به ناحیه نرمال، به واسطه مجاورت با یک شبه فرومغناطیس توضیح می دهیم. همین طور ویژگی های غیرمعمول تزریق شبه اسپین و انباشتگی شبه اسپینی در ناحیه نرمال از اتصال های pf/n را مورد مطالعه قرار می دهیم. نتایج ما نشان دهنده پتانسیل بالای گرافین گاف دار در تحقق نانوالکترونیک بر پایه شبه اسپین است. در قسمت دوم پایان نامه، اثر تعیین کننده درجه آزادی شبه اسپین زیرشبکه ها را بر بازتاب اندریف و اثر مجاورت ابرسانایی در ساختارهای هیبریدی که شامل شبه فرومغناطیس ها و یک ابررسانا (s) در هندسه های s/pf و pf/s/pf هستند، مورد مطالعه قرار می دهیم. نوع خاصی از بازتاب اندریف را در اتصال های s/pf گرافینی نشان می دهیم که همراه با وارونی مولفه عمودی بردار شبه اسپین حامل های بار است و نتایج مهمی بر اثر مجاورت دارد. این نوع بازتاب اندریف-کلاین می تواند رسانش اندریف اتصال s/pf را که همراه با وارونی مولفه z بردار شبه اسپین است افزایش دهد، به طوری که مقدار ماکزیمم حدی آن برای بسته به اندازه ولتاژ بایاس می تواند از مقدار مربوط به اتصال متناظر بدون گاف انرژی (اتصال ابررسانا-نرمال گرافینی) بزرگتر باشد. بنابراین حضور گاف نواری باعث می شود که رسانش اندریف اتصال ابررسانا-شبه فرومغناطیس (s/pf) گرافینی رفتاری مشابه رسانش اندریف در اتصال ابررسانا-فرومغناطیس گرافینی داشته باشد. علاوه براین، رفتار نوسانی میرای چگالی حالت های مجاورتی ناحیه pf از اتصال s/pf و فرآیندهای بلندبرد بازتاب اندریف عبوری (car) و تونل زنی الکترونی (ct) ، به ترتیب، در ساختار pf/s/pf با جهت گیری پادموازی و موازی از شبه مغناطش ها تایید می کنند که گرافین نرمال گاف دار مانند یک گرافین فرومغناطیس رفتار می کند. نتایج ما نشان دهنده این است که اثر درجه آزادی شبه اسپین در گرافین گاف دار به اندازه درجه آزادی اسپین در گرافین فرومغناطیس مهم است. در قسمت آخر از این پایان نامه، اثر درجه آزادی شبه اسپین را بر خواص ترابردی نانوساختارهای گرافینی کشیده شده مورد مطالعه قرار می دهیم. در گرافینی که تحت کشش مکانیکی قرار دارد، به دلیل جفت شدگی شبه اسپین فرمیون های دیراک با پتانسیل پیمانه ای ناشی از کشش یک میدان شبه مغناطیسی ایجاد می شود. این میدان شبه مغناطیسی اثرات مهمی بر روی خواص ترابردی گرافین کشیده شده دارد. بنابراین در این قسمت به بررسی اثر پتانسیل پیمانه ای ناشی از کشش و میدان شبه مغناطیسی متناظر با آن در اتصال جوزفسون با نانونوار گرافینی کشیده شده لبه زیگزاگ، که بین دو ابررسانا در اتصال s/n/s قرار دارد، می پردازیم. نشان می دهیم که نوع خاصی از کوانتش ابرجریان در این نوع سیستم جوزفسونی ایجاد می شود که متفاوت با رفتار ابرجریان در سیستم متناظر بدون کشش است.