Relajación de espín en semiconductores dopados y nanoestructuras semiconductoras - Intronati, Guido A. (2013)
Actualmente, los dispositivos basados en materiales semiconductores están presentes en varias aplicaciones de comunicación y procesamiento de información. En estos dispositivos, las distintas operaciones involucradas implican el desplazamiento controlado de cargas. Para el almacenamiento de información, arreglos de múltiples capas formadas por metales magnéticos, así como materiales aislantes, son ampliamente utilizados. En este último caso, la información es registrada y recuperada al reorientar dominios magnéticos. La posibilidad de construir dispositivos que uliticen otra propiedad de las partículas, el llamado espín, da lugar al campo de la Espintrónica, a diferencia de la electrónica tradicional basada en la carga eléctrica de las partículas. Más aún, la Espintrónica con materiales semiconductores busca el desarrollo de dispositivos híbridos en los cuales las tres operaciones básicas (lógica, comunicación y almacenamiento) puedan estar integradas en un mismo material. A pesar de los grandes progresos y avances en esta dirección, son varias las preguntas y dificultades técnicas que quedan por resolver. El desafío, entre otros, es entonces entender cómo el espín se comporta e interacciona en un material sólido. El espín, al ser una propiedad cuántica de cualquier partícula elemental, está representada por un estado, susceptible de ser afectado por alguna dada interacción. El espín de un electrón, por ejemplo, puede no sólo interaccionar con un campo magnético externo, sino también acoplarse a otro grado de libertad del electrón. La interacción de espín-órbita, precisamente, se refiere al acoplamiento entre el espín y el estado orbital del mismo electrón. En la primera parte de esta tesis consideramos este último efecto, y en particular, nos ocupamos de un semiconductor bulk de GaAs dopado, y estudiamos la relajación de espín debido a la interacción de espín-órbita. Las densidades de dopantes de nuestro interés están en un rango cercano a la densidad crítica correspondiente a la transición metal-aislante. Por debajo de esta densidad, la propiedades electrónicas del sistema son las de un material aislante, mientras que para densidades mayores, aparece un comportamiento de tipo metálico y en consecuencia, la conductividad a temperatura nula adquiere un valor finito. En esta tesis estudiamos la relajación de espín del lado metálico de la transición debido a dos clases diferentes de interacción espín-órbita. La primera de ellas está asociada a la presencia de impurezas, mientras que la otra aparece como consecuencia de la asimetría de inversión causada por la presencia de dos tipos diferentes de átomos en una celda unidad. Es decir, esta última es una propiedad inherente de la estructura cristalina del material y es también conocida como la interacción de Dresselhaus o BIA, por sus siglas en inglés (bulk inversion asymmetry). Para atacar el problema de la dinámica de espín, desarrollamos una formulación analítica basada en la difusión de espín de un electrón en el régimen metálico de conducción en la banda de impurezas. A través de esta derivación logramos una expresión para el tiempo de relajación de espín, dependiente de la densidad de dopantes y de la intensidad de la interacción de espín-órbita. Notablemente, dicha expresión está exenta de parámetros ajustables. Complementamos este esquema y respaldamos los resultados obtenidos analíticamente con el cálculo numérico del tiempo de vida del espín. Para ello, llevamos a cabo la evolución temporal de un estado inicial con un espín definido. De esta manera, el valor medio del operador de espín evoluciona bajo la influencia del Hamiltoniano completo, que comprende la interacción de espín-órbita y el Hamiltoniano del modelo de Matsubara- Toyozawa. Este último describe la banda de impurezas pero no toma en cuenta el espín. El estado inicialmente polarizado, al no ser un autoestado del operador Hamiltoniano completo, experimenta un decaimiento temporal siguiendo un dado comportamiento, del cual extraemos el tiempo de relajación de espín. En la segunda parte de esta tesis consideramos un sistema cuántico de dimensión cero (punto cuántico o quantum dot) y estudiamos el efecto de la interacción de espín- órbita sobre los autoestados. El quantum dot está alojado entre dos heteroestructuras implantadas en un nanohilo de material InAs. Este material presenta la particularidad que, al ser crecido de manera unidimensional, adquiere una estructura de tipo wurtzita, a diferencia de la estructura zinc blenda que tiene en su fase bulk. Aquí desarrollamos una solución analítica para el quantum dot, considerando la interacción de espín-órbita propia de este tipo de estructuras. Más precisamente, tomamos la interacción de Dresselhaus de la banda de conducción de un material wurtzita que, además de un término cúbico en k -aunque de diferente forma que el de zinc blenda- presenta uno lineal, propio de la wurtzita. El efecto de un campo magnético débil es introducido a través del acoplamiento de tipo Zeeman. Entre los resultados se incluyen además la estructura de espín en el quantum-dot y el cálculo del factor g efectivo en función de las dimensiones del dot. Por último, estudiamos y calculamos la relajación de espín debido a fonones acústicos, teniendo en cuenta para ello los potenciales de fonón correspondientes a la estructura wurtzita.