22006

22006

قطبش و جريان اسپيني در آرايه هاي حلقه كوانتومي مبتني بر گاز الكترون دو بعدي

دكتري تخصصي

فيزيك - حالت جامد

1399/3/4

دكتر ادريس فيض آبادي

فيزيك

در سال هاي اخير تحقيقات زيادي در مورد ادوات اسپينترونيكي كه اسپين الكترون را به جاي بار الكترون استفاده مي كنند، انجام شده است. چون اين ادوات مي توانند در سرعت هاي خيلي بالاتر در مقايسه با ادوات الكترونيكي معمولي عمل كنند. بهره برداري از ادوات اسپينترونيك براي پردازش و ذخيره سازي اطلاعات نيازمند توليد جريان قطبيده اسپيني خالص با ترابرد بالا است. بنابراين در اين پايان نامه تلاش مي كنيم با معرفي و تعميم روش ماتريس پراكندگي براي تك حلقه ي كوانتومي متصل به تعداد رابط دلخواه در حضور اثر اسپين-مدار راشبا و فاز آهارانف بوهم به بررسي قطبش و جريان اسپيني در آرايه هاي دلخواهي از حلقه هاي كوانتومي بپردازيم. با استفاده از اين روش تعميم يافته مي توانيم اثرات رژيم كوپل شدگي رابط به حلقه را در نظر بگيريم كه پارامتر مؤثري در ترابرد وابسته به اسپين است. همچنين استفاده از روش ماتريس پراكندگي پيشنهاد شده در اين پايان نامه سرعت محاسبات را بهبود مي بخشد و منجر به معرفي و طراحي ابزارهاي اسپينترونيك بهينه مي شود. براي كليد كردن بين حالت هاي صفر و يك در ابزار هاي مرسوم الكترونيكي بر مبناي بار الكترون به يك ولتاژ كمينه و انرژي نياز است كه مقداري از آن به صورت گرما تلف مي شود. در حالي كه، با تكنولوژي اسپينترونيك و استفاده از حلقه هاي كوانتومي اين كليدزني تقريبا بدون از دست دادن انرژي يا گرماي توليد شده انجام مي شود. بنابراين در ابتدا به مطالعه ي فيلتر كردن و كليدزني اسپيني در حلقه هاي كوانتومي ساخته شده از ساختار هاي نامتجانس AlGaAs-GaAs مي پردازيم. با بكارگيري روش موجبر نشان مي دهيم، كه تك حلقه ي يك بعدي كوانتومي مي تواند به عنوان اسپين فيلتر كامل و كليدزني اسپيني ايده آل عمل كند. اما روش موجبر توانايي بررسي اثر اتصال رابط به حلقه را ندارد، همچنين پارامترهاي كنترلي در تك حلقه ي كوانتومي در مقايسه با آرايه هايي از حلقه هاي كوانتومي كمتر است. پس تك حلقه كوانتومي نمي تواند به عنوان يك دستگاه با اهداف چندگانه به طور همزمان عمل كند. از اين رو در ادامه اين پايان نامه خواص ترابرد وابسته به اسپين در زنجير يك بعدي و شبكه اي دو بعدي از حلقه هاي كوانتومي را مطالعه مي كنيم. همچنين با هدف بررسي واقعي تري از خواص ترابرد وابسته به اسپين در سيستم هاي مزوسكوپيك ذكر شده و كاهش پيچيدگي محاسبات روش ماتريس انتقال بهبود يافته را معرفي مي كنيم. ابتدا مساله حلقه ي كوانتومي يك بعدي با تعداد رابط دلخواه متصل شده به آن را به عنوان پايه ي حل مساله ترابرد وابسته به اسپين در آرايه هاي مختلف از حلقه هاي كوانتومي حل مي كنيم. ما فرماليزم و ماتريسي را معرفي مي كنيم كه ضرايب ورودي و خروجي وابسته به اسپين به تك حلقه ي كوانتومي يك بعدي با تعداد رابط دلخواه متصل به آن را بهم ربط دهد. با بكارگيري اين ماتريس پيشنهاد شده، در زنجير يك بعدي از حلقه هاي كوانتومي تعداد حلقه هاي كوانتومي تشكيل دهنده زنجير را بر اي سه رژيم كوپل شدگي ضعيف، متوسط و قوي به منظور افزايش كارايي سيستم بهينه كرديم. همچنين با تنظيم و كنترل شدت راشبا كه قابل كنترل با ولتاژ گيت خارجي است، زنجير يك بعدي از حلقه هاي كوانتومي مي تواند به عنوان يك دستگاه اسپين فيلتر با انرژي خيلي تيز و باريك بر حسب انرژي الكترون ورودي عمل كند كه اين نتايج اهميت قابل ملاحظه اي در طراحي ادوات اسپينترونيك دارند. همچنين با تعميم فرماليزم معرفي شده، مساله ترابرد وابسته به اسپين در شبكه دو بعدي از حلقه هاي كوانتومي با ساختار و هندسه دلخواه فرمول بندي شد. كه به عنوان يك مثال خاص از توانايي خوب محاسباتي اين روش ٬ ما اثر هندسه و كوپل شدگي بين رابط و حلقه را بر روي خواص ترابرد وابسته به اسپين در يك شبكه دو بعدي مثلثلي از حلقه هاي كواتومي بررسي كرديم. نتايج ما نشان مي دهد كه اين سيستم مي تواند به عنوان يك دستگاه اسپينترونيك قابل برنامه ريزي و چند هدفه به مانند اسپين پلاريزير، فيلتر كننده اسپيني ، كليدزني اسپيني، كليدزني الكترونيكي و دستگاه اشترن گرلاخ عمل كند. همچنين نتايج ما نشان مي دهد كه انتخاب كوپل شدگي قوي و هندسه متقارن٬ بازده و توانايي عملكرد سيستم را خيلي تقويت مي كند. در سال هاي اخير ٬ با توجه به ساخت حلقه هاي كوانتومي به شكل زنجير خطي يا شبكه اي از اين حلقه هاي كوانتومي بر مبناي گاز الكترون دو بعدي و اهميت طول همدوسي و تحرك پذيري بالاي حامل هاي بار در آنها از اين آرايه هاي حلقه هاي كوانتومي به عنوان يكي از كانديداهاي اصلي براي ساخت و طراحي دستگاههاي اسپينترونيك ياد مي شود. يكي از كاربردهاي نتايج بدست آمده مي تواند در مدارهاي فشرده در الكترونيك نسل آينده يا كامپيوترهاي كوانتومي باشد.

1399/04/17

Spin polarization and spin current in quantum ring arrays caused by two-dimensional electron gas

5/24/2020 12:00:00 AM

In this thesis spin polarization and spin current in quantum ring arrays caused by two-dimensional electron gas were studied. First, spin related conductance and polarization via an open ballistic quantum nanoring connected to one input lead and two output ones are studied by considering the Rashba effect based on the transfer matrix method. Our probes show that controlling on Rashba strength leads to 100 percent spin polarization while we have high efficiency for the system. In addition, it is possible to design the position of input and output leads in such a way as to optimize the system to work as a spin filtering or spin switching nano device. Also, this apparatus can work as a Stern-Gerlach tool which can be used in some important practical nano-industrial applications. By controlling on Rashba strength in a special design of two output lead positions, it is possible to divide the input charge current into any output ones while the partial output charge current has substantial value in one of two output leads and it is reduced in the other one simultaneously. By controlling on Rashba strength in a special design of output lead positions, the spin conductance can attain a considerable value in one output lead despite an insignificant value in the other one simultaneously. Based on the scattering matrix method the coupling effects on the electronic spin dependent transport properties through a one-dimensional quantum nano ring connected to two leads, in the presence of Rashba spin-orbit interaction (RSOI) with strength α and the effect of Aharonov-Bohm is studied. By tuning Rashba strength via external gate and Aharonov-Bohm intensity, it is possible to obtain conditions which the system acts as a perfect spin-filtering device with high efficiency and a full range spin polarizer. The perfect spin filtering and spin polarization with high- efficiency can take place in narrow ranges of incident electron energies for weak coupling, while for strong one it can occur in a wide range of energies which have appropriate application in nano science industry. The effective spin polarization and spin filtering of a linear chain of N one-dimensional nanorings in the presence of the Rashba and Aharonov–Bohm effects are studied by considering three different lead–ring coupling regimes. Utilizing the transfer-matrix method, the optimal number of rings for maximizing the system efficiency is determined in the weak, medium, and strong lead–ring coupling regimes. The strong coupling regime is proposed for the design of spintronic devices as it exhibits the highest system efficiency. Furthermore, by tuning the Rashba strengths in the rings alternately, perfect spin filtering and full-range spin polarization with high efficiency can be obtained in narrow ranges of the incident electron wavenumber. Moreover, controlling the Rashba strength leads to the design of energy-filtering devices with a desired spin polarization, which could play a dominant role in spintronic technology. The effects of lead positions and lead-ring coupling regimes are investigated on spin-related transport through a two-dimensional network of quantum nanorings (TDNQRs) considering Rashba spin-orbit interaction (RSOI) and magnetic flux. A matrix representation for the transmission and reflection coefficients through a single ring connected to the arbitrary number of leads has been introduced. As a specific example of TDNQRs, the conductance, spin polarization, and system efficiency are obtained via a triangular network of quantum rings (TNQRs). TNQRs behaves completely opaque or transparent versus RSOI strength and wave vector (k) of the incident electron. The periodicity of these functions along the k axis depends on the lead positions and is independent of lead- ring coupling. Also, the symmetric geometry and strong lead-ring coupling regime significantly improve the performance of the system as a multi-purpose spintronic device (i.e., a perfect spin filter, spin-splitter, spin switching, Stern-Gerlach device, and an electronic switching device) .