Spin-dependent phenomena in semiconductor nanowires have recently gained a lot of attention, in special because these nanostructures can be a viable setup to study exotic states of matter like the Majorana fermions. One of the key ingredients to accommodate the Majorana zero modes is the spin-orbit coupling in the nanowires, which has been usually treated with two-band Hamiltonians. The spin-orbit coupling in semiconductors arise from two distinct sources being the bulk inversion asymmetry, when the unit cell does not present inversion symmetry, e.g. when the crystal unit cell is composed by two different atoms, and the structural inversion asymmetry, when the whole system does not have a mirror symmetry. To describe the system these effective models take as input, parameters that are dependent on the system configuration and measurement setups. Although these effective models have been successful in determine relevant physical properties, a more realistic description of the interacting energy bands is required, specially in quantum confined systems where the interplay between both sources of spin-orbit coupling can change the systems properties in non-trivial ways. For instance, in quantum wells there is an anisotropy of the g-factor due to the quantum confinement and structural inversion asymmetry. Furthermore, the in-plane g-factor also have an anisotropy which is due to the intrinsic spin-orbit coupling and it is not captured by these effective models. In this study, we use realistic multiband k · p Hamiltonians, including both spin-orbit coupling mechanisms, to determine the band structure of zincblende InSb and wurtzite InAs nanowires under a transverse electric field. We analyze the effects of the lateral quantum confinement for a hexagonal cross-section geometry and of the change in growth directions, extracting the relevant physical parameters for the first conduction subband. We found that the g-factors are heavily dependent on the quantum confinement and nanowire orientation, with in-plane/out-of-plane anisotropies up to 3%. We also found that for zinc-blende nanowires the extrinsic spin-orbit coupling is dominant over the intrinsic one whereas, for wurztize, the opposite behavior holds. In order to assess if the nanowires could host the aforementioned Majorana zero modes we investigate under which circumstances the topological phase transition occurs, using the Bogoliubov-de Gennes formalism to couple the nanowire with a superconductor, and we found that using realistic and experimental feasible parameters, indeed, the phase transition occurs. In conclusion, our systematic investigation of nanowires shows that the spin-orbit coupling energy can be fine tuned by the external electric field in experimentally achievable setups that ultimately could guide the search for the elusive Majorana modes. Moreover, our numerical approach is not restricted to a specific material or dimensionality and can be used to study others systems to provide useful insights into the electronic and spintronic fields. / Recentemente, fenômenos dependentes de spin em nanofios semicondutores se tornaram uma área de pesquisa ativa especialmente porque essas nanoestruturas podem ser viáveis para o estudo de estados exóticos da matéria como, por exemplo, os férmions de Majorana. Um dos ingredientes chave para que esses modos de excitação possam existir em nanofios é o acoplamento spin-órbita, o qual tem sido usualmente tratado com modelos de duas bandas. O acoplamento spin-órbita em semicondutores aparece de duas fontes distintas sendo elas a assimetria de inversão no bulk, quando a célula unitária do cristal não possui simetria de inversão, por exemplo, quando é formada por dois átomos diferentes, e a assimetria de inversão estrutural, quando o sistema como um todo não possui simetria de inversão. Para descrever o sistema, os modelos efetivos de duas bandas usam como entrada parâmetros que dependem tanto do sistema específico quanto da configuração do arranjo experimental. Apesar desses modelos terem sucesso em descrever algumas das propriedades físicas relevantes, uma descrição mais realística da interação entre as bandas de energia se faz necessária, especialmente em sistemas com confinamento quântico onde a ação combinada das duas fontes de acoplamento spin-órbita muda as propriedades do sistema de maneira não-trivial. Por exemplo, o fator giromagnético em poços quânticos é anisotrópico devido aos efeitos de ambos, confinamento quântico e a assimetria de inversão estrutural. Ademais, o fator giromagnético ao longo do plano também possui uma anisotropia, a qual tem origem no acoplamento spin-órbita intrínseco do sistema e não é capturada por esses modelos efetivos. Nesse estudo, nós usamos Hamiltonianos k · p multibanda, incluindo ambos os mecanismos de acoplamento spin-órbita, para determinar a estrutura de bandas de nanofios de InSb na fase blenda de zinco e InAs na fase wurtzita sob a ação de um campo elétrico transversal. Nós analisamos os efeitos do confinamento quântico lateral, para fios com seção transversal hexagonal, e diferentes direções de crescimento, extraindo parâmetros físicos relevantes para a primeira sub-banda de condução. Nós encontramos que os fatores giromagnéticos são fortemente influenciados pelo confinamento quântico e orientação dos nanofios, com anisotropias no plano e fora do plano de até 3%. Nós também encontramos que para nanofios de InSb na fase blenda de zinco, o acoplamento spin-órbita extrínseco domina o intrínseco enquanto que, em nanofios de InAs na fase wurtzita, vale o oposto. Para avaliar se os nanofios podem hospedar os modos de Majorana de energia zero nós investigamos sob quais circunstâncias a transição de fase topológica ocorre usando o formalismo de Bogoliubov-de Gennes para acoplar o nanofio a um supercondutor, e encontramos que usando nossos parâmetros e em condições experimentalmente factíveis, de fato, a transição de fase ocorre. Em conclusão, nossa investigação sistemática nos nanofios mostrou que o acoplamento spin-órbita pode ser ajustado por fontes externas, tais como um campo elétrico aplicado, e em configurações experimentais factíveis e que ultimamente pode guiar à busca dos elusivos modos de Majorana. Além do mais, nossa abordagem numérica não é restrita a esses materiais em específico e nem a nanofios, podendo ser usada para estudar outros sistemas provendo intuições úteis nos campos de eletrônica e spintrônica.

Spin-dependent phenomena in semiconductor nanowires have recently gained a lot of attention, in special because these nanostructures can be a viable setup to study exotic states of matter like the Majorana fermions. One of the key ingredients to accommodate the Majorana zero modes is the spin-orbit coupling in the nanowires, which has been usually treated with two-band Hamiltonians. The spin-orbit coupling in semiconductors arise from two distinct sources being the bulk inversion asymmetry, when the unit cell does not present inversion symmetry, e.g. when the crystal unit cell is composed by two different atoms, and the structural inversion asymmetry, when the whole system does not have a mirror symmetry. To describe the system these effective models take as input, parameters that are dependent on the system configuration and measurement setups. Although these effective models have been successful in determine relevant physical properties, a more realistic description of the interacting energy bands is required, specially in quantum confined systems where the interplay between both sources of spin-orbit coupling can change the systems properties in non-trivial ways. For instance, in quantum wells there is an anisotropy of the g-factor due to the quantum confinement and structural inversion asymmetry. Furthermore, the in-plane g-factor also have an anisotropy which is due to the intrinsic spin-orbit coupling and it is not captured by these effective models. In this study, we use realistic multiband k · p Hamiltonians, including both spin-orbit coupling mechanisms, to determine the band structure of zincblende InSb and wurtzite InAs nanowires under a transverse electric field. We analyze the effects of the lateral quantum confinement for a hexagonal cross-section geometry and of the change in growth directions, extracting the relevant physical parameters for the first conduction subband. We found that the g-factors are heavily dependent on the quantum confinement and nanowire orientation, with in-plane/out-of-plane anisotropies up to 3%. We also found that for zinc-blende nanowires the extrinsic spin-orbit coupling is dominant over the intrinsic one whereas, for wurztize, the opposite behavior holds. In order to assess if the nanowires could host the aforementioned Majorana zero modes we investigate under which circumstances the topological phase transition occurs, using the Bogoliubov-de Gennes formalism to couple the nanowire with a superconductor, and we found that using realistic and experimental feasible parameters, indeed, the phase transition occurs. In conclusion, our systematic investigation of nanowires shows that the spin-orbit coupling energy can be fine tuned by the external electric field in experimentally achievable setups that ultimately could guide the search for the elusive Majorana modes. Moreover, our numerical approach is not restricted to a specific material or dimensionality and can be used to study others systems to provide useful insights into the electronic and spintronic fields. / Recentemente, fenômenos dependentes de spin em nanofios semicondutores se tornaram uma área de pesquisa ativa especialmente porque essas nanoestruturas podem ser viáveis para o estudo de estados exóticos da matéria como, por exemplo, os férmions de Majorana. Um dos ingredientes chave para que esses modos de excitação possam existir em nanofios é o acoplamento spin-órbita, o qual tem sido usualmente tratado com modelos de duas bandas. O acoplamento spin-órbita em semicondutores aparece de duas fontes distintas sendo elas a assimetria de inversão no bulk, quando a célula unitária do cristal não possui simetria de inversão, por exemplo, quando é formada por dois átomos diferentes, e a assimetria de inversão estrutural, quando o sistema como um todo não possui simetria de inversão. Para descrever o sistema, os modelos efetivos de duas bandas usam como entrada parâmetros que dependem tanto do sistema específico quanto da configuração do arranjo experimental. Apesar desses modelos terem sucesso em descrever algumas das propriedades físicas relevantes, uma descrição mais realística da interação entre as bandas de energia se faz necessária, especialmente em sistemas com confinamento quântico onde a ação combinada das duas fontes de acoplamento spin-órbita muda as propriedades do sistema de maneira não-trivial. Por exemplo, o fator giromagnético em poços quânticos é anisotrópico devido aos efeitos de ambos, confinamento quântico e a assimetria de inversão estrutural. Ademais, o fator giromagnético ao longo do plano também possui uma anisotropia, a qual tem origem no acoplamento spin-órbita intrínseco do sistema e não é capturada por esses modelos efetivos. Nesse estudo, nós usamos Hamiltonianos k · p multibanda, incluindo ambos os mecanismos de acoplamento spin-órbita, para determinar a estrutura de bandas de nanofios de InSb na fase blenda de zinco e InAs na fase wurtzita sob a ação de um campo elétrico transversal. Nós analisamos os efeitos do confinamento quântico lateral, para fios com seção transversal hexagonal, e diferentes direções de crescimento, extraindo parâmetros físicos relevantes para a primeira sub-banda de condução. Nós encontramos que os fatores giromagnéticos são fortemente influenciados pelo confinamento quântico e orientação dos nanofios, com anisotropias no plano e fora do plano de até 3%. Nós também encontramos que para nanofios de InSb na fase blenda de zinco, o acoplamento spin-órbita extrínseco domina o intrínseco enquanto que, em nanofios de InAs na fase wurtzita, vale o oposto. Para avaliar se os nanofios podem hospedar os modos de Majorana de energia zero nós investigamos sob quais circunstâncias a transição de fase topológica ocorre usando o formalismo de Bogoliubov-de Gennes para acoplar o nanofio a um supercondutor, e encontramos que usando nossos parâmetros e em condições experimentalmente factíveis, de fato, a transição de fase ocorre. Em conclusão, nossa investigação sistemática nos nanofios mostrou que o acoplamento spin-órbita pode ser ajustado por fontes externas, tais como um campo elétrico aplicado, e em configurações experimentais factíveis e que ultimamente pode guiar à busca dos elusivos modos de Majorana. Além do mais, nossa abordagem numérica não é restrita a esses materiais em específico e nem a nanofios, podendo ser usada para estudar outros sistemas provendo intuições úteis nos campos de eletrônica e spintrônica.

Neste trabalho são apresentados estudos de Cu(&#945-AIB)2 utilizando-se a técnica de RPE à temperatura ambiente nas freqüências de 9,7 GHz e 34 GHz. Os espectros de R. P. E. mostram uma única ressonância tanto em banda X (9,7 GHz) quanto em banda Q (34 GHz), devido ao efeito de estreitamento por troca. Os valores das componentes do tensor g e da largura de linha foram determinados a partir dos espectros obtidos variando o ângulo entre H e os eixos do cristal a´, b e c em três planos a´b, a´c, e bc. O tensor g reflete as propriedades moleculares do complexo, com o íon Cu(II) em uma simetria axial e também a orientação destas moléculas dentro da cela unitária do cristal. A variação angular da largura de linha é analisada em termos da simetria do íon Cu(II) na rede cristalina e das contribuições das interações dipolar e Zeeman Residual. O parâmetro da interação de troca |J\'|, é obtido através da contribuição da interação Zeeman residual na largura de linha, |J\'| ~ 0,34K. É também observada uma característica magnética bidimensional no complexo Cu(&#945-AIB)2 concordando com os resultados cristalográficos. / In this work is presented a study of the complex Cu(&#945-AIB) 2 using EPR spectroscopy at room temperature, in two frequency bands (9.7 and 34 GHz). The EPR spectra, in both bands and any direction of the extremal magnetic field consist of a single resonance line. This fact can be understood considering the exchange narrowing between non-equivalent Cu(II) íons. The elements of the g tensor and line width were determined from the angular dependence of the EPR spectrum, in three ortogonal crystal planes a´b, a´c and ab (a´=b x c). The angular dependence of the g tensor reflects the molecular properties of the complex Cu(&#945-AIB)2 the axial symmetry of the molecule and the orientation on the crystal unit cell. The most important contributions to the line width were found to be: 2D dipolar interactions, the residual Zeeman effect and defects compatible to the symmetry of the crystal. The Exchange parameter, |J\'| ~ 0.34K, was obtained from the residual Zeeman contribution to the line width (Q band). The low dimension found for dipolar interations agrees with crystallographic results.

Neste trabalho são apresentados estudos de Cu(&#945-AIB)2 utilizando-se a técnica de RPE à temperatura ambiente nas freqüências de 9,7 GHz e 34 GHz. Os espectros de R. P. E. mostram uma única ressonância tanto em banda X (9,7 GHz) quanto em banda Q (34 GHz), devido ao efeito de estreitamento por troca. Os valores das componentes do tensor g e da largura de linha foram determinados a partir dos espectros obtidos variando o ângulo entre H e os eixos do cristal a´, b e c em três planos a´b, a´c, e bc. O tensor g reflete as propriedades moleculares do complexo, com o íon Cu(II) em uma simetria axial e também a orientação destas moléculas dentro da cela unitária do cristal. A variação angular da largura de linha é analisada em termos da simetria do íon Cu(II) na rede cristalina e das contribuições das interações dipolar e Zeeman Residual. O parâmetro da interação de troca |J\'|, é obtido através da contribuição da interação Zeeman residual na largura de linha, |J\'| ~ 0,34K. É também observada uma característica magnética bidimensional no complexo Cu(&#945-AIB)2 concordando com os resultados cristalográficos. / In this work is presented a study of the complex Cu(&#945-AIB) 2 using EPR spectroscopy at room temperature, in two frequency bands (9.7 and 34 GHz). The EPR spectra, in both bands and any direction of the extremal magnetic field consist of a single resonance line. This fact can be understood considering the exchange narrowing between non-equivalent Cu(II) íons. The elements of the g tensor and line width were determined from the angular dependence of the EPR spectrum, in three ortogonal crystal planes a´b, a´c and ab (a´=b x c). The angular dependence of the g tensor reflects the molecular properties of the complex Cu(&#945-AIB)2 the axial symmetry of the molecule and the orientation on the crystal unit cell. The most important contributions to the line width were found to be: 2D dipolar interactions, the residual Zeeman effect and defects compatible to the symmetry of the crystal. The Exchange parameter, |J\'| ~ 0.34K, was obtained from the residual Zeeman contribution to the line width (Q band). The low dimension found for dipolar interations agrees with crystallographic results.

Este trabalho apresenta o resultado de investigações sobre efeitos de spin em amostras de poços quânticos simples e duplos de AlGaAs, crescidos em substratos de GaAs por MBE - Molecular Beam Epitaxy. O estudo se concentra na variação do fator g de Landé ao longo da estrutura dos poços, a qual ocorre em virtude da dependência dessa grandeza, com respeito ao conteúdo de Al na liga AlGaAs. Através de cálculos autoconsistentes foram encontradas a distribuição eletrônica nos poços e a penetração da densidade eletrônica nas barreiras. Os cálculos se basearam em valores de densidade superficial de elétrons ns medidos experimentalmente em diversas amostras através de medidas de Hall e Shubnikov-de Haas. O estudo permitiu a determinação do valor esperado do fator g de Landé, em função do deslocamento da densidade eletrônica dentro dos poços devido `a ação de campos elétricos externos arbitrário. Também foi estudada a influência do tunelamento da densidade eletrônica dos poços. / In this work we presents the results of our investigations concerning MBE grown AlGaAs/GaAs single and double quantum well samples. We focused on the variation of the Land´e g factor along the structure of the quantum wells, which occur as a consquence of its dependence on the Al content on the alloy AlGaAs. The electronic distribution on the wells and the penetration of the eletronic density into the barriers of the samples were found through selfconsistent calculations. The calculations were based on the eletronic sheet density ns measured through Hall and Shubinikov-de Haas efects. This research allowed the determination of the expected value of the Landé g-factor, as a function of the displacement of the electronic state inside the wells due to an arbitrary external electric field action. Also the influence of the tunneling effects was also studied.

This thesis describes electrical measurements performed on low dimensional p-type devices, fabricated from GaAs/AlGaAs heterostructures. The Coulomb interaction between holes is similar to that between electrons. However, the kinetic energy is suppressed, which makes interaction effects particularly important. Holes may also be used to study band structure effects which arise from spin-orbit coupling in the valence band. The effects of Coulomb interactions in low dimensional electron systems are currently being studied extensively. Experiments presented in this thesis indicate the possible importance of Coulomb exchange interactions in both one and two dimensional hole systems (1DHSs,2DHSs). Tilted magnetic field studies of 2DHSs in the quantum Hall regime indicate that Landau levels at even filling factors will not cross. For high filling factor, this is attributed to a spin-orbit mixing effect which arises from the low symmetry ofthe system. At lower filling factor, activation-energy measurements verify that the energy gaps decrease and then increase as the field is tilted. However, the energy gap versus field dependences do not exhibit the curvature that might be expected from a perturbative anticrossing. It is speculated that the origin of this effect is a phase transition driven by the exchange interaction. Balanced arguments contrasting the relative strengths of the mixing and interactions theories are provided. The second part of this thesis describes a new method for the fabrication ofballistic 1DHSs, which exhibit clear conductance quantization. The quantization changes from even to odd multiples of e2/h as a function of the magnetic field in the plane of the heterostructure, as 'spin splitting' causes the 1D subbands to cross. Measurements of the 1D subband energy spacings are used together with the magnetic fields at which the crossings occur to calculate the in-plane g factors of the 1D subbands. These are found to increase as the number of occupied 1D subbands decreases. This enhancement of the g factor is attributed to exchange interactions; possible mixing explanations are also discussed. At higher magnetic fields, the pattern of quantization features shows that the subbands have crossed many times, and that the 1DHS can be strongly magnetized.

Abstract Methyl Viologen is a kind of organic molecular magnet of current interest which comprises with organic radicals (unpaired electrons). The molecular formula of the sample is (C12H14N2)2+X2-, where ¡§X2-¡¨ denotes a non-magnetic anion (CdI42-, I3-I- etc.). We perform the magnetization (using SQUID magnetometer) and electron paramagnetic resonance (EPR) measurements. Two absorption peaks are observed in EPR spectrum indicating that there are two radical forms in our samples. One of the radicals exists in every sample having the g1-factor value 2.004. The other radical which has the g2-factor 2.001 exists only in certain samples. Interestingly, we find that these samples exhibit ferromagnetism at room temperature. We use Lorentzian profile to quantitatively analyze the EPR spectrum of the samples and derive the ratio (A2/A1) of two different absorption peaks, which represents the amount of g2 radical. The remanent magnetization and saturation magnetization are found to increase as the ratio value increases, indicating that the strength of ferromagnetism is strongly correlated with g2 radical.

The gyromagnetic ratio of bound particles is an active field of experimental and theoretical research. Early measurements of corrections to the bound g-factor came from experiments involving hydrogen-like ions. As the sensitivity of such experiments has increased, it has become possible to instead use them to measure the electron-ion mass ratio -- but only if the theoretical bound g-factor is known with sufficient precision for these systems. By constructing an effective nonrelativistic Lagrangian, we derive leading order binding and recoil corrections for systems comprised of particles with arbitrary spin. Lagrangians for spin one-half and spin one-theories are developed, before moving on to the more general case of arbitrary spin. In each case, an effective nonrelativistic Lagrangian taking into account all relevant terms is constructed. The coefficients of this Lagrangian are then fixed by calculating scattering processes in both the relativistic and nonrelativistic theories. A relativistic framework for dealing with particles of arbitrary spin is considered. In this framework the relevant terms in the scattering process are heavily constrained by the symmetries required of the electromagnetic current. This allows the determination of an effective Lagrangian valid for arbitrary spin. It is found that the only coefficients which depend upon the spin of the particle in question involve derivatives of the magnetic field. This general form is consistent with the previously derived Lagrangians for spin one-half and spin one particles. With this effective nonrelativistic Lagrangian, the leading order binding and recoil corrections to the bound gyromagnetic ratio are calculated. These corrections are found to be universal, independent of the spin of the particles involved. This is understood as a consequence of the Bargmann-Michel-Telegdi equation.

The quantum point contact (QPC) is a one-dimensional constriction with the differential conductance quantised in units of $G_Q=2e^2/h$. However, the transport behaviour below the first plateau is still not fully understood, including the 0.7 anomaly and the 0.25 anomaly in the linear and non-linear transport regimes respectively. In this work, we utilise a multiplexing technique and statistically investigate the 0.7 anomaly observed on the first three plateaus respectively in 571 QPCs, fitting well the van-Hove model. The 0.7 anomaly shows the transconductance suppression due to the effective electron interactions which are modified by the local density of states (LDOS). At the maximum of LDOS, the interaction strength becomes strongest, resulting in the strongest transconductance suppression. The strongest interaction strength is determined by the ratio of transverse confinement curvature and longitudinal barrier curvature. Moreover, we realise measurements of the effective g factor ($g^*$) and high-field offset ($\Delta E^{hfo}$) in numerous devices in a single cooldown at T=40 mK. The statistical results show both the $g^*$ and $\Delta E^{hfo}$ increase with the potential confinement, which supports the predictions about the role of interaction strength on $g^*$ and $\Delta E^{hfo}$ in a 1D tight-binding model. We explore the origin of $\Delta E^{hfo}$ and find that it is only considerable for the first plateau. Using a short and narrow QPC could result in a stronger potential confinement and thus a higher $g^*$, which could be beneficial for its use in spintronic applications. Last, we investigate the formation and development of the DC-bias-induced 0.75 and 0.25 anomalies for 402 QPCs. We find the anomalies evolve similarly in a magnetic field. To explain the anomaly behaviours, we propose a phenomenological DC-bias-induced spin-splitting model. In the model, with the increasing DC bias (V_DC), the 0.75 anomaly occurs first at a differential conductance of 0.75 $G_Q$, while the 0.25 anomaly is formed at a differential conductance of 0.5 $G_Q$ and moves to 0.375 $G_Q$. The spin gap of the first subband opens to be e|V_DC|, which enables an all-electric manipulation of spin polarisation simply by applying a DC bias.

Este trabalho apresenta o resultado de investigações sobre efeitos de spin em amostras de poços quânticos simples e duplos de AlGaAs, crescidos em substratos de GaAs por MBE - Molecular Beam Epitaxy. O estudo se concentra na variação do fator g de Landé ao longo da estrutura dos poços, a qual ocorre em virtude da dependência dessa grandeza, com respeito ao conteúdo de Al na liga AlGaAs. Através de cálculos autoconsistentes foram encontradas a distribuição eletrônica nos poços e a penetração da densidade eletrônica nas barreiras. Os cálculos se basearam em valores de densidade superficial de elétrons ns medidos experimentalmente em diversas amostras através de medidas de Hall e Shubnikov-de Haas. O estudo permitiu a determinação do valor esperado do fator g de Landé, em função do deslocamento da densidade eletrônica dentro dos poços devido `a ação de campos elétricos externos arbitrário. Também foi estudada a influência do tunelamento da densidade eletrônica dos poços. / In this work we presents the results of our investigations concerning MBE grown AlGaAs/GaAs single and double quantum well samples. We focused on the variation of the Land´e g factor along the structure of the quantum wells, which occur as a consquence of its dependence on the Al content on the alloy AlGaAs. The electronic distribution on the wells and the penetration of the eletronic density into the barriers of the samples were found through selfconsistent calculations. The calculations were based on the eletronic sheet density ns measured through Hall and Shubinikov-de Haas efects. This research allowed the determination of the expected value of the Landé g-factor, as a function of the displacement of the electronic state inside the wells due to an arbitrary external electric field action. Also the influence of the tunneling effects was also studied.