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

دكتري تخصصي

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.

194365

دانشگاه علم و صنعت ايران

فيزيك - حالت جامد

دكتر ادريس فيض آبادي