- 文献综述(或调研报告):
文献综述
在非相对论量子隧道理论中,低能粒子穿透高能势垒的几率永远不会是100%,随着势垒变高变厚,穿越的可能性也随之减小。但根据Klein佯谬,相对论粒子可以很容易地穿透大的静电势垒,在相对论量子隧穿(Klein隧穿)中,对入射粒子具有排斥力的大势垒对空穴具有吸引力,导致势垒内的空穴态和势垒外的粒子态通过粒子空穴对称性连接。量子电动力学的这一预言看似不合常理,但在石墨烯中,Klein隧穿所描述的现象很容易被观察到。文献《alpha;-T3模型中的Klein隧道》便以石墨烯的Klein隧穿为背景做了理论计算。
该文模拟计算的对象不再局限于石墨烯的HCL晶格,而是使HCL的六边形中心包含一个附加原子,并与石墨烯原子进行耦合,即alpha;-T3模型如图所示。alpha;-T3模型的耦合强度在0到1之间随参数alpha;变化,极限情况下包括HCL(alpha;=0)和骰子晶格(alpha;=1)。
以alpha;-T3模型为基础,该文就隧穿问题作了详尽的计算,具体包括:1)选取两种不同的势,即尖锐的势垒和势阶,在参数alpha;取不同值时的传输情况。2)在不同入射角下的传输情况。3)特异地研究极限情况dice(alpha;=1)晶格的Klein隧穿效应,以及入射能量对传输的影响。
具体结果如下:1)垂直于界面入射的电子,结果表明无论电子的入射能量如何,在所考虑的两种界面(势垒、势阶)的alpha;全范围都是完美的透射。2)对于dice晶格的势阶传输,入射能量等于势阶高度的一半时,无论电子入射角如何,势阶都是完全透明的。3)对于E/V0=0.5的势阶传输情况,文中给出了描述从石墨烯的到骰子晶格的传输概率演化的解析公式(作为参数alpha;的函数)。4)对于通过势垒的传输,文中发现随着alpha;的增加,传输增强的总体趋势,且完美透射角与alpha;无关。5)对于跨势阶和势垒的传输,alpha;的插值结果是相当平滑的,这一结果不同于以往一些与物理量alpha;相关联的行为,所以平滑的alpha;插值结果并非预期。6)应用:理解其他类狄拉克材料的模型,比如所讨论的alpha;-T3模型,可能会为电子聚焦和电子光学提供额外的可能性。
具体理论计算时涉及到的具体问题包括:alpha;-T3模型的哈密顿量该如何描述,以及alpha;-T3晶格波函数在势能急剧变化的界面上,其连续所需的alpha;相关匹配条件。
首先是哈密顿量。alpha;-T3模型的低能哈密顿量可以写成六边形布里渊区的一个K点,式中,circ;Hkin是动能,V(x)是势,I是3times;3的单位矩阵。动能部分具体形式如下给出,其中,alpha; = tan ϕ参数化跳跃参数alpha;t。V(x)则是根据所要研究的特定问题来选定,如尖锐的势垒、势阶等。
其次是在势能突变的界面上波函数的匹配条件。方式如下:在一个小的区间上x = [minus;∊, ∊]积分特征值方程Hcirc;Psi; = EPsi;,并令该区间接近于零。将波函数写成一般形式psi;(x) = [psi;A(x),psi;B(x),psi;C(x)],获得如下匹配条件:
但要注意的是,该匹配条件不同于alpha;-T3模型的两种极限情况:伪自旋S=1/2石墨烯(alpha;=0)和伪自旋S=1骰子晶格(alpha;=1)。对于石墨烯,匹配条件只需要二分量波函数的每个分量的连续性。相反,骰子格的匹配条件包括等式(6)所示的那样,波函数的第一个和最后一个分量的和,并且可以通过设置sinϕ=cosϕ=1/radic;2(tanϕ=1)从等式(5)和(6)获得。事实上,等式(5)和(6)是为考虑变量alpha;而作一般化处理的alpha;-T3模型的匹配条件。
使用波动方程-ipart;tPsi;=Hcirc;Psi;和概率守恒方程part;t |Psi;| 2=nabla;j来计算概率流,就会发现,方程(5)和(6)中的边界条件,其物理含义是垂直于势垒的概率电流的守恒。
