1、人們對信息高效存儲和準確處理的需要，促使作為信息技術和微電子工業(yè)基礎的現代集成電路技術向更高集成度、更快運算速度、更低功耗方向發(fā)展。作為微電子技術基礎的微米結構已經成為制約信息技術高速發(fā)展的瓶頸，人們急于尋找一條嶄新的道路，使信息的處理發(fā)生質的改變。如今，以介觀金屬環(huán)、石墨烯、光子晶體波導、納米金屬等離子體波導、微波傳輸線、光學納米光纖等為典型代表的低維納米結構，由于他們的量子效應具有很強的可控性，使得他們在微電子、光電子器件、超高密度

2、存儲、量子計算機的物理實現等方面具有潛在的應用價值。因此，研究低維納米結構中的量子相干輸運，是目前物理學研究中最活躍和最具生命力的前沿領域之一。
　　在本論文中，我們采用量子波導理論，著重研究了介觀金屬環(huán)在周期性磁通驅動下的量子輸運特性、低能激發(fā)電子在石墨烯的相干傳輸和一維光波導中的單光子相干輸運等物理學前沿問題，研究發(fā)現周期性勢壘驅動下的介觀環(huán)系統(tǒng)中出現了光子輔助隧穿，并且在環(huán)上形成了明顯的電流密度波；石墨烯閉環(huán)中的持續(xù)電流具有

3、顯著的尺寸效應；以及光子與二能級原子之間的耦合強度對共振光子的輸運特性起著決定性作用等。研究成果有助于設計制作下一代量子開關、量子分束器等納米元件。
　　具體研究了以下五個方面的內容：
　　第三章研究了周期性磁通驅動的介觀金屬環(huán)中的光子輔助隧穿。采用量子波導理論和Floquet散射理論，研究了介觀環(huán)中的電子在含時磁通驅動下的動力學行為。數值結果顯示，不同于靜磁通驅動時的情況，電子的透射率在整數倍振蕩能量時出現了漲落。這是由于

4、電子在周期性磁通作用下，產生了一系列的邊帶，使得電子通過光子輔助隧穿的方式從介觀環(huán)中透射出去。研究結果表明，光子輔助隧穿與動磁場的幅度和振蕩頻率有關。由于光子輔助隧穿明顯地依賴于振蕩磁通的頻率，因此，雙庫開環(huán)系統(tǒng)可以用來實現對頻率的精確測量，即可以通過測量電子透射率出現跳躍時的能量，從而計算出磁場的頻率。
　　第四章研究了單庫介觀環(huán)在周期性磁場驅動下的電流密度波。我們采用量子波導理論和Floquet散射理論，系統(tǒng)地研究了電子在單環(huán)

5、單庫結構中的傳輸行為。研究發(fā)現當介觀環(huán)在周期性磁通的驅動下，電極和環(huán)上將出現振蕩的電流密度波，說明在只有一個庫的電極上可以出現電流。因此，我們的數值結果指出通過調節(jié)動磁通的幅度，可以調控光子的輔助隧穿效應。當動磁通很弱時，具有不同能量的入射電子均被完全反射回來。然而強的動磁通使得反射率不再為100％。這是由于入射電子在光子輔助隧穿效應的作用下，通過吸收或發(fā)射光子，在不同的Floquet邊帶之間發(fā)生躍遷，導致在單庫單環(huán)的電極中出現電流。<

6、br>　　第五章研究了Dirac粒子在石墨烯結中的交流響應。采用無質量的Dirac方程和Tien-Gordon理論，系統(tǒng)地研究了準粒子在石墨烯結中的交流響應。當結的兩邊同時被外加時間周期性的外場驅動時，數值結果表明電子透射率的時間相關性與電子的入射角度有關。當電子垂直入射到石墨烯結上時，由于Klein隧穿的作用，使得其透射率始終為1，與外加勢壘的高度、頻率、相位等無關。當電子以一定的角度入射時，其透射率明顯地依賴于勢壘的高度、頻率和相位

7、。同時通過研究不同邊帶間的電子透射率，發(fā)現在本系統(tǒng)中同樣存在光子輔助隧穿現象。
　　第六章研究石墨烯閉環(huán)的尺寸效應。采用無質量的Dirac方程，引入無窮大強制邊界條件，討論了石墨烯閉環(huán)中的Aharonov-Bohm效應。數值計算表明，外加磁通對時間反演對稱性和電子的谷簡并性均有影響。由于石墨烯特殊的空間反幺正對稱性，使得其持續(xù)電流出現不同于金屬環(huán)中的振蕩特性。并且發(fā)現簡并能級差和持續(xù)電流的漲落幅度等與石墨烯閉環(huán)的半徑和寬度有關。這

8、說明可以通過改變石墨烯的幾何尺寸來調控它的時間反演對稱性和谷簡并性。
　　第七章研究了光子在一維光波導中的可控輸運特性。光子在一維波導中被二能級原子散射時，光子透射率與耦合強度之間有直接的依賴關系。與對稱耦合不同的是，我們的數值結果表明共振光子的透射率可以通過改變不同方向光子與二能級原子之間的耦合強度，從而使光子的透射率從0調節(jié)到100％。究其物理根源來自于光子被二能級原子散射之后能量和動量的再分配。因此，共振光子的透射率不僅與光