Dissertação (mestrado)— Universidade de Brasília, Faculdade UnB Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Ciência de Materiais, 2015. / Submitted by Tania Milca Carvalho Malheiros (tania@bce.unb.br) on 2016-01-15T19:43:56Z No. of bitstreams: 1 2015_JéssicaNatáliadaCostaDantas.pdf: 1556544 bytes, checksum: d0b292aa7b5ac0034fbb447be94d1387 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-01-20T18:34:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_JéssicaNatáliadaCostaDantas.pdf: 1556544 bytes, checksum: d0b292aa7b5ac0034fbb447be94d1387 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-20T18:34:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_JéssicaNatáliadaCostaDantas.pdf: 1556544 bytes, checksum: d0b292aa7b5ac0034fbb447be94d1387 (MD5) / Neste trabalho foram estudadas as propriedades de transporte de um pacote de onda em um fio quântico submetido a um campo elétrico externo modulado e levando em consideração a interação spin-órbita do tipo Rashba e Dresselhaus. Nesse sistema, a interação spin-órbita Dresselhaus possibilita a inversão do spin do elétron injetado. Para analisar a evolução temporal do sistema (partículas) que avaliar os seguintes parâmetros: a probabilidade de retorno do elétron, o desvio quadrático médio (MSD), a função participação e o centro do pacote de onda. Foi observado que determinados valores dos parâmetros localiza a função de onda, podendo fazer uma correlação com transição de fase metal-isolante ou estado localizado e não localizado. / In this work we present results obtained on the transport properties of a wave packet in a quantum wire subjected to an external modulated electric field and taking into account the spin-orbit interaction of the Rashba and Dresselhaus types. In this system the Dresselhaus spin-orbit interaction produces the reversal of the spin of the injected electron. To analyze the time evolution of the system (particle) we evaluate the following parameters: the return probability of electron , the root mean square deviation (MSD) function participation and the center of the wave packet. It was observed that for certain parameter values the wave function is localized in a certain region which allows to make a correlation with a metal-insulator phase transition.

Made available in DSpace on 2015-04-22T22:07:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Final EDVAM NUNES.pdf: 1326325 bytes, checksum: acb7b97b4ee56842693910dcde730c09 (MD5) Previous issue date: 2009-03-30 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas / We studied the dynamic properties of electrons in semiconductors heterostructure: barrier and quantum wells submitted to DC fields using the full Rashba-Dresselhaus Hamiltonian in E.F.A aproximation of the k · p method. The method used to calculate the electronic structure in quantum wells using the full spin-orbit Hamiltonian: Rashba-Dresselhaus is based on the thecnique of finite differences and in the method of inverse power. The dependent time Schroedinger equation is solved numerically using the time evolution operator, inside of the implicite outline of Cranck-Nicholson. We calculated the medium-displacements, tunneling probabilities and the polarizations spins too. / Estudamos as propriedades dinâmicas de elétrons em heteroestruturas semicondutoras: barreira e poços quânticos submetidos a campos elétricos DC usando o Hamiltoniano de Rashba e Dresselhaus na aproximação de massa efetiva do modelo k · p. O método utilizado para calcular a estrutura eletrônica em poços quânticos é o da potência inversa baseado na técnica de diferenças finitas. A equação de Schroedinger dependente do tempo é resolvida numericamente utilizando o operador evolução temporal dentro do esquema implícito de Cranck-Nicholson. Calculamos deslocamentos médios e probabilidade de transmissão de spins polarizados, bem como suas respectivas polarizações..

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-04-12T23:44:11Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao.pdf: 11565559 bytes, checksum: 0c8fc9e5398c5417a887a52e38d46553 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-12T23:44:11Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) dissertacao.pdf: 11565559 bytes, checksum: 0c8fc9e5398c5417a887a52e38d46553 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O grafeno, um material bidimensional a base de carbono, tem propriedades físicas muito interessantes e vem despertando enorme curiosidade científica e tecnológica desde sua recente descoberta experimental em 2004. Vários trabalhos têm apontado as diversas possibilidades de aplicações do grafeno em novos dispositivos, demonstrando a capacidade de se controlar o transporte neste material através da aplicação de campos externos e/ou dopagem. Especial atenção é dada à possibilidade de usar grafeno como base para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos, que aproveitam tanto o transporte de carga quanto de spin eletrônico. Várias características spintrônicas de sistemas mesoscópicos estão relacionados à interação spin-órbita. Como ela é relativamente pequena nos átomos de carbono, muitos trabalhos vêm sendo realizados a fim de se obter uma maneira de aumentar sua intensidade no grafeno - como, por exemplo, através da adsorção de impurezas na superfície do grafeno. O objetivo deste trabalho é estudar o transporte de carga e spin em nanofitas de carbono. Estamos interessados no transporte dentro do regime de resposta linear através dessas nanoestruturas de grafeno na presença de desordem com ou sem acoplamento spin-órbita. Utilizamos modelos efetivos para a adsorção das impurezas, e o formalismo de Landauer para calcular a condutância dos diversos sistemas propostos. Para isso, obtivemos analiticamente as funções de Green de nanofitas de grafeno semi-infinitas de borda armchair, que serviram como contatos para as amostras com defeitos e impurezas adsorvidas. As funções de Green dos condutores centrais foram obtidas tanto por inversão direta do hamiltoniano como de maneira recursiva. Este último m´etodo otimiza o cálculo numérico e viabiliza-o para amostras relativamente grandes, com milhares de átomos. Estudamos os efeitos de uma única impureza que adsorve tipicamente no topo de um carbono sobre as propriedades de transporte, e investigamos as implicações de uma distribuição de impurezas que adsorvem no centro do hexágono e que podem induzir acoplamento spin-órbita em nanofitas de grafeno. Examinamos ainda as consequências de constrições de bordas nas nanofitas. Obtivemos a distribuição espacial de corrente elétrica através da região central do condutor, que permite uma melhor visualização dos efeitos destas dopagens e imperfeições. Quando o acoplamento spin-órbita se torna relevante, a distribuição espacial da corrente para cada direção de spin revela como a corrente se redistribui pela fita e qual o seu grau de polarização de spins. Em particular, mostramos que, em energias associadas ao primeiro platô da condutância, a corrente elétrica flui pelas bordas da tira com polarização total de spins (cada borda polarizada em uma direção). Este comportamento é semelhante aos isolantes topológicos e apresenta um grande potencial para uso em tecnologias futuras. / Graphene, a two-dimensional carbon-based material, has very interesting physical properties and has attracted huge scientific and technological curiosity since its recent experimental discovery in 2004. Several studies have pointed out the various possibilities for applications of graphene on new devices by demonstrating the ability to control the transport in this material by the application of external and/or doping field. Special attention is given to the possibility of using graphene as the basis for the development of spintronic devices, which benefit both charge transport as the spin transport. Several features of mesoscopic spintronic systems are related to the spin-orbit interaction. Since it is relatively small in carbon atoms, several studies have been conducted in order to obtain a way to increase it in graphene - as an example, by adsorption of impurities on the graphene surface. The aim of this work is to study the charge and spin transport in carbon nanoribbons. We are interested in transport within the linear response regime through these graphenebased nanostructures in the presence of disorder with or without spin-orbit coupling. We used effective models for the adatom adsorption, and Landauer formalism for calculating the conductance of the various proposed systems. For this, we obtained analytically the Green’s functions of semi-infinite graphene nanoribbons with armchair edge, which served as contacts for samples with defects and adatom adsorbed. The Green’s functions of the central conductors were obtained either by direct inversion of the Hamiltonian as recursively. The latter method optimizes the numerical calculation and enables it to relatively large samples, with thousands of atoms. We studied the effects of a single adatom which typically adsorbs on top of a carbon on the transport properties, and we investigated the implications of a distribution of adatom which adsorb on the center of the hexagon e can induce spin-orbit coupling in graphene nanoribbons. Further we examined the consequences of edge constrictions in nanoribbons. We obtained the spatial distribution of electric current through the central device, which allows us a better visualization of the effects of these imperfections and doping. When the spin-orbit coupling becomes relevant, the spatial distribution of current for each spin direction reveals how the current is redistributed in the strip and what is your spin polarization degree. In particular, we showed that, associated with the first conductance plateau energy, electric current flows through the edges of the strip with full spin polarization (each edge polarized in one direction). This behaviour is similar to those of the topological insulators, and has great potential for use in future technologies.

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.

Apresento neste trabalho uma derivação alternativa da hamiltoniana efetiva para um elétron na banda de condução de uma heteroestrutura semicondutora de rede Zincblende. Partindo do modelo de Kane 8 × 8 e da aproximação das funções envelope, esta hamiltoniana efetiva foi obtida com a linearização dos denominadores (dependentes das autoenergias) presentes na equação para a banda de condução, sob a hipótese de que o gap de energia seja muito maior que todas as demais diferenças de energia envolvidas (verdade para a maioria das estruturas Zincblende). A partir de um procedimento introduzido previamente1,3, desenvolvi um procedimento mais geral que implementa sistematicamente esta linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia e que corrige a normalização do spinor da banda de condução usando as bandas de valência. Este procedimento é idêntico à expansão em série de potência no inverso da velocidade da luz utilizada para se obter aproximações relativísticas da equação de Dirac. Uma vantagem deste procedimento é a arbitrariedade na forma dos potenciais, o que implica na validade da hamiltoniana resultante para poços, fios e pontos quânticos. Evidencio também as consequências de cada termo desta hamiltoniana efetiva para os autoestados eletrônicos em poços retangulares, incluindo termos independentes de spin inéditos (Darwin e interação momento linearcampo elétrico). Estes resultados estão de acordo com os estudos anteriores4. A fim de estudar transições ópticas dentro da banda de condução, mostro que o acoplamento mínimo pode ser realizado diretamente na hamiltoniana de Kane se os campos externos variam tão lentamente quanto as funções envelope. Repetindo a linearização dos denominadores de energia, derivo uma hamiltoniana efetiva para a banda de condução com acoplamentos elétron-fótons. Um destes acoplamentos, induzido exclusivamente pela banda de valência, origina transições mediadas pelo spin eletrônico. Estas transições assistidas por spin possibilitam mudanças, opticamente induzidas, na orientação do spin eletrônico, um fato que talvez possa ser útil na construção de dispositivos spintrônicos. Por fim, as taxas de transição deste acoplamento apresentam saturação e linhas de máximos e mínimos no espaço recíproco. Espero que estas acoplamentos ópticos possam auxiliar na observação dos efeitos dos acoplamentos spin-órbita intra (Rashba) e intersubbandas. / In this work, I present an alternative derivation of the conduction band effective hamiltonian for Zincblende semiconductor heterostructures. Starting from the 8×8 Kane model and envelope function approximation, this effective hamiltonian was obtained by means of a linearization in the eigenenergy-dependent denominators present the conduction band equation, under the hypothesis that the energy gap is bigger than any other energy difference in the system (true for mostly every Zincblende semiconductor bulk or heterostructure). Based on a previous procedure1,3, I have developed a more general procedure that implements sistematicaly (i) this linearization and (ii) renormalizes the conduction band spinor using the valence bands, both (i) and (ii) up to second order in the inverse of the energy gap. This procedure is identical to the expansion in power series of the inverse of the light speed used to derive non-relativistic approximations of the Dirac equation. One advantage of this procedure is the generality of the potentials adopted in our derivation: the same results hold for quantum wells, wires and dots. I show the consequences of each term of this hamiltonian for the electron eigenstates in retangular wells, including novel spin-independent terms (Darwin and linear momentumelectric field couplings). These resulties agree with previous works4. In order to study conduction band optical transitions, I show that the minimal substitution can be performed directly in the Kane hamiltonian if the external fields vary slowly (at least, as slowly as the envelope functions). Repeating the linearization of the energy denominators, I derive a new effective hamiltonian, up to second order in the inverse of the energy gap, with electron-photons couplings. One of these couplings, induced exclusively by the valence bands, gives rise to optical transitions mediated by the electron spin. This spin-assisted coupling enable optically-induced spin flipps in conduction subband transitions, which can be useful in the construction of spintronic devices. Finaly, the spin-assisted transitions rates show saturation and lines of maxima and minima in the reciprocal lattice. I hope that these optical couplings can be of any help in the observation of interesting effects induced by the intra and intersubband spin-orbit coupling.

In the research field of spintronics, it is essential to have a deep understanding of the relaxation mechanisms of the spin degree of freedom. To this end, we study the spin relaxation in semiconductor nanostructures with spin-orbit interaction. First we analyze the spin decay and dephasing in graphene quantum dots within the framework of the Bloch-Redfield theory. We consider a gate-tunable circular graphene quantum dot where the intrinsic and Rashba spin-orbit interactions are operative. We derive an effective Hamiltonian via the Schrieffer-Wolff transformation describing the coupling of the electron spin to potential fluctuations generated by the lattice vibrations. The spin relaxation occurs with energy relaxation provided by the electron-phonon coupling and the spin-flip transition assisted by spin-orbit interactions. We predict a minimum of the spin relaxation time T1 as a function of the external magnetic field Bext caused by the Rashba spin-orbit coupling-induced anticrossing of opposite spin states. By constrast, the intrinsic spin-orbit interaction leads to monotonic behavior of T1 with Bext due to direct spin-phonon coupling. We also demonstrate that the spin decoherence time T2 = 2T1 in graphene is dominated by relaxation processes up to leading order in the spin-orbit interaction and the electron-phonon coupling mechanisms. Secondly, we develop a numerical model to account for the D´yakonov-Perel spin relaxation mechanism in multisubband quantum wires. We consider the elastic spin-conserving scattering events in the time-evolution operator and then evaluate the time-dependent expectation value of the spin operators. After averaging these results over an ensemble, we can extract the spin relaxation time as a function of Bext. We observe a non-monotonic behavior for the spin relaxation time with Bext aligned perpendicularly to the quantum wire. This effect is called ballistic spin resonance. In our model, the ballistic spin resonance occurs near the subband anticrossing induced by the subband-spin mixing spin-orbit interaction term. In systems with weak spin-orbit coupling strenghts, no spin resonance is observed when Bext is parallel to the channel. Nevertheless, we also predict the emergence of anomalous resonances plateaus in systems with strong spin-orbit couplings even when Bext is aligned with the quantum wire. Finally, we predict the emergence of a robust spin-density helical crossed pattern in two-dimensional electron gas with Rashba α and Dresselhaus β spin-orbit couplings. This pattern arises in a quantum well with two occupied subbands when the spin-orbit coupling strenghts are tuned to have equal absolute strengths but opposite signs, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 for the first v = 1 and second v = 2 subbands. We named this novel pattern as crossed persistent spin helices. We analyze the spin-charge coupled diffusion equations in order to investigate the lifetime of the crossed persistent spin helices and the feasibility of probing the crossed persistent spin helix mode. We also study the inteband spin-orbit interaction effects on the crossed persistent spin helices, energy anticrossings and spin textures induced by the interband spin-orbit coupling / No campo de pesquisa denominado spintrônica é de fundamental importância o entendimento dos mecanismos de relaxação de spin. A fim de contribuir com esse objetivo, estudamos a relaxação de spin em nanoestruturas semicondutoras na presença da interação spin-órbita. Primeiramente, analisamos o decaimento e defasamento do spin eletrônico em pontos quânticos formados no grafeno usando a teoria de Bloch-Redfield. Consideramos um ponto quântico circular com as interações spin-órbita intrínseca e de Rashba. A relaxação de spin ocorre via relaxacação de energia pela interação elétron-fônon acompanhado do mecanismo de spin-flip auxiliado pela interação spin-órbita. Previmos a presença de um mínimo no tempo de relaxação de spin T1 em função do campo magnético externo Bext causado pelo acoplamento spin-órbita de Rashba que por sua vez leva a cruzamento evitado de níveis de energia com spins opostos. Em contraste, a interação spin-órbita intrínseca gera um comportamento monotônico de T1 com Bext devido ao acoplamento direto spin-fônon. Demonstramos também que o tempo de decoerência de spin T2 = 2T1 é dominado por contribuições dos mecanismos de relaxação em primeira ordem na interação spin-órbita e na interação elétron-fônon. Desenvolvemos também um modelo numérico que leva em conta o mecanismo de relaxação de spin de D´yakonov-Perel em fios quânticos com múltiplas subbandas. Consideramos espalhamentos elásticos, que conservam a orientação do spin, no operador evolução temporal. Em seguida, calculamos o valor esperado dos operadores de spin dependentes do tempo para um ensemble de elétrons. Por fim, extraímos o tempo de relaxação de spin em função do campo magnético externo Bext. Observamos um comportamento não-monotônico da relaxação de spin para um campo Bext alinhado perpendicularmente ao fio quântico. Em sistemas com acoplamento spin-órbita fracos, nenhuma ressonância de spin é encontrada quando Bext está alinhado paralelamento ao fio quântico. No entanto, previmos o aparecimento de ressonâncias de spin anômalas em sistemas com forte acoplamento spin-órbita mesmo quando Bext está alinhado ao canal balístico. Por fim, estudamos a formação de uma densidade de spin helicoidal cruzada e robusta contra espalhamento por impurezas em um gás bi-dimensional de elétrons na presença das interações spin-órbita de Rashba α and Dresselhaus β. Generalizamos o efeito previsto para um poço quântico com uma subbanda para duas subbandas ocupadas quando as interações spin-órbita assumem o mesmo valor em intensidade mas sinais opostos, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 para a primeira v = 1 e segunda v = 2 subbandas. Denominamos esse novo padrão de helicóides de spin persistentes e cruzadas. Analisamos as equações de difusão com carga e spin acoplados com o intuito de investigarmos o tempo de vida das densidades de spin helicoidais cruzadas e a possibilidade de medi-las com os experimentos atuais. Estudamos também o efeito da interação spin-órbita interbanda na relaxação dos modos helicoidais de spin, espectro de energia com cruzamentos evitados e texturas de spin

A partir da teoria de resposta linear (formalismo de Kubo) calculamos a condutividade de spin $\\sigma_^$ para um gás bidimensional de elétrons formado num poço quântico com duas subbandas devido a atuação de um novo tipo de interação spin-órbita [Bernardes et al. \\textit{Phys. Rev. Lett.} \\textbf, 076603 (2007) \\& Calsaverini \\textit{et al}. \\textit{Phys. Rev. B} \\textbf, 155313 (2008)]. Este novo termo é não-nulo mesmo em estruturas simétricas e surge devido ao acoplamento entre os estados confinados no poço de paridades diferentes. Encontramos um valor para $\\sigma_^$ não-nulo e não-universal (dependente da intensidade do acoplamento $\\eta$) quando somente uma das subbandas está ocupada, ao contrário de Rashba. Para encontrarmos valores realistas para $\\sigma_^$, determinamos $\\eta$ via cálculo autoconsistente. Esse cálculo é executado para diferentes valores de densidade eletrônica em poços simples e duplos. Obtivemos que $\\sigma_^$ possui um comportamento não-monótono e sofre inversão de sinal como função da energia de Fermi (densidade de elétrons) conforme ela varia entre as duas subbandas. Contudo nossos resultados indicam que a condutividade Hall de spin é muito pequena $\\left(``\\ll \\frac{8\\pi}\"ight)$ nesses sistemas (poços simples e duplos) e possivelmente não mensurável. / Using the Kubo linear response theory, we investigate spin Hall conductivity $\\sigma_^$ in a two-dimensional electron gas in quantum wells with two subbands, when intersubband-induced spin-orbit coupling is operative [Bernardes et al. \\textit{Phys. Rev. Lett.} \\textbf, 076603 (2007) \\& Calsaverini \\textit{et al}. \\textit{Phys. Rev. B} \\textbf, 155313 (2008)]. This new spin-orbit term is non-zero even in symmetric structures and it arises from the distinct parity of the confined states. We find non-zero and non-universal $\\sigma_^$ (dependent on spin-orbit coupling strength $\\eta$) when only one of the subbands is occupied. This is in contrast to the Rashba spin-orbit interaction for which $\\sigma_^$ is identically zero. To obtain realistic values for $\\sigma_^$, we develop a self-consistent scheme to calculate $\\eta$. We performed this calcultion for different values of the eletronic density in single and double wells. We find that $\\sigma_^$ shows a non-monotonic behavior and a sign change as the Fermi energy (carrier density) varies between the two subband edges. However, our results indicate that $\\sigma_^$ is extremely small $\\left(``\\ll \\frac{8\\pi}\"ight)$ and possibly not measurable.

Esta tese trata do Efeito Rashba ou interação spin- órbita em nanoestruturas semicondutoras de materiais do tipo IV-VI. Os materiais semicondutores do tipo IV-VI apresentam uma estrutura de múltiplos vales e uma forte interação spin-órbita, sendo bons candidatos para aplicações em spintrônica. As energias dos estados quantizados para eletrons confinados em poços quânticos assimétricos crescidos nas direções [11

Marcos Roberto da Silva Tavares / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2013

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2847.pdf: 4261056 bytes, checksum: 63327b86f7f4260929f02341e1e0ca39 (MD5) Previous issue date: 2010-03-02 / Universidade Federal de Sao Carlos / The growth and characterization of semiconductor nanowires systems have attracted increasing interest due to their potential technological application, like, photo-detectors, optoelectronic devices and their promising features for quantum information processing and photonic applications. The goal of this work is the characterization of properties of semiconductor nanowires. The study was started within the framework of classical electrodynamics and this model for light-scattering was contrasted with experimental results from the photoluminescence. This classical model has been published in the literature without a concrete discussion and its application range is often not compatible with the analyzed experimental phenomenology. Thus, we have introduced quantum elements to elucidate a consistent phenomenology with the results obtained in the experiments. Through the k.p method, using in particular the Luttinger Hamiltonian, the effects of biaxial confinement and strain were analyzed in the valence band of semiconductor nanowires. This study was complemented with the description of optical properties. For the conduction band states, we were able to introduce the spin-orbit interaction since analytical results, successfully obtained from the simulation of the valence band, could be directly used in this new calculation. / Os estudos recentes, tanto da síntese quanto da caracterização, de sistemas de nanofios semicondutores se tornaram atraentes devido sua importância tecnológica na construção de fotodetectores, dispositivos opto-eletrônicos e seu uso potencial no processamento de informação quântica e aplicações fotônicas. O presente trabalho propõe a caracterização de propriedades de nanofios semicondutores. Iniciou-se o estudo nos marcos da eletrodinâmica clássica, no qual o espalhamento da luz foi contrastado com resultados experimentais de fotoluminescência encontrados na literatura. Os modelos clássicos aparecem na literatura sem uma discussão procedente e seus marcos de aplicação muitas vezes não são compatíveis com a fenomenologia experimental analisada. Assim, nos foi possível introduzir elementos quânticos para elucidarmos uma fenomenologia coerente com os resultados obtidos pelos nossos colaboradores experimentais. Através do método k.p, em particular pelo Hamiltoniano de Luttinger, analisamos os efeitos do confinamento biaxial e de strain na banda de valência de nanofios semicondutores. Complementando a abordagem de propriedades óticas, finalizamos esta dissertação analisando os efeitos da interação spin-órbita na banda de condução, uma vez que os resultados analíticos, satisfatoriamente obtidos para o estudo da banda de valência, poderiam ser utilizados nesse novo cálculo.