中文摘要：

量子点被认为是优异的固态量子比特候选者，调控和探测量子点中的自旋是实现量子信息处理和量子计算机的关键步骤，也是当前凝聚态物理和量子信息交叉学科的一个重要研究领域。本项目拟针对与正常金属、铁磁体以及超导体等不同材料制备的电极相连接的耦合量子点体系，采用非平衡态格林函数理论和量子主方程等方法，研究如何利用外场对其中的自旋态进行调控，以及如何利用输运特性对其中的自旋信息进行探测，并进一步研究耦合量子点内自旋-轨道耦合作用和电子关联等对自旋输运特性的影响。通过上述研究，揭示含时外场导致的电子-自旋共振、量子泵浦等效应对自旋输运特性调控的物理机制，阐明自旋-轨道耦合和电子关联等相互作用所导致的自旋进动、库仑阻塞以及泡利阻塞等效应对自旋输运调控的物理本质，为设计新型量子信息处理的基本元器件提供物理模型和理论依据。

结论摘要：

调控和探测量子点中的自旋对于将来制备量子器件和实现量子信息处理是非常重要的。我们针对量子点等复合系统，从理论上研究了外场以及自旋-轨道耦合作用等效应对其中自旋态的调控以及对输运特性的影响。此外，由于拓扑绝缘体具有拓扑保护的体电子态和边界传输态，在量子输运和量子信息等方面也具有广阔的应用前景。我们进一步研究了外场、无序等对新型拓扑体系中的拓扑态调控以及相应的量子输运特性。主要研究内容为 (1).研究了圆偏振光对量子点复合体系中Andreev反射的影响。发现在光学拉比振荡和Andreev反射共同作用下，自旋极化和自旋积累可以同时产生，并且自旋极化和自旋积累的磁矩和方向可以通过调节系统参数控制。(2).研究了含时自旋轨道耦合作用所导致的耦合双量子点中的光子泵浦效应，发现含时外场的频率和量子点体系的能极差近似相等时，通过吸收或者放出光子，自旋依赖的光子辅助隧穿能够引起自旋极化电流甚至是纯自旋流，同时实现了自旋泵浦和自旋阀效应。(3).研究了Rashba自旋轨道耦合和外磁场对耦合双量子点中自旋输运的影响，发现通过调节Rashba自旋轨道耦合和外磁场的强度，可以使体系中产生强自旋极化电流。(4).研究了谷极化的量子反常霍尔态。发现当同时打破时间反演和空间反演对称性时，硅烯中形成一种新奇的拓扑相，可由总陈数C和谷陈数Cv两个拓扑不变量来描述。(5).研究了谷极化量子反常霍尔态的输运性质，发现当短程无序的散射强度处于适当范围时，系统输运呈现量子化和完全谷极化的特点，相当于具有谷过滤手性边缘态的量子反常霍尔系统。(6).研究了双层自旋轨道耦合体系中的Z2金属相和Chern金属相。这些拓扑金属态由本征和Rashba两种自旋轨道耦合作用相互竞争引起，并取决于时间反演对称性是否被破坏。(7).研究了三维拓扑Dirac超导体，给出了Dirac超导体的存在的条件和判据。分析了三维Dirac超导体的拓扑性质以及在不同对称性破缺下的演化。(8).研究了拓扑筹壁态中的谷过滤效应。发现通过量子反常霍尔和谷霍尔效应的畴壁可以实现谷过滤效应。该畴壁态受拓扑保护，并且谷指标和手性指标都能够利用外场调节。本项目通过建立物理模型，针对低维量子点和新型拓扑体系，从理论上研究其中的自旋态、拓扑态的调控，以及相应的输运特性，为将来设计新型量子器件和实现量子信息处理等提供了理论依据。