In this project a theoretical study of the so called gyromagnetic ratio was done by investigating classical mechanics, Dirac theory and string theory. The gyromagnetic ratio is a constant term appearing in the coupling between angular momentum and magnetic moment for a particle. A universality in quantum field theory claiming g = 2 regardless of spin is known to exist which also agrees with the found values (g = 2) of the Dirac and string theory. The proof of the aforementioned universality in quantum field theory was sketched in the project by showing that the W-boson Lagrangian is well behaved in the massless limit. Furthermore it is shown that the spin equations of motion for a particle is greatly reduced if g = 2 regardless of spin. / I det här projektet utfördes en teoretisk studie av den så kallade gyromagnetsika kvoten genom att undersöka klassisk mekanik, Dirac-teori och strängteori. Den gyromagnetiska kvoten är en konstant term som visar sig i kopplingen mellan rörelsemängsmoment och magnetiskt moment för en partikel. I kvantfältsteori existerar en universalitet som hävdar att g = 2 oberoende av spin. Denna universalitet stämmer överens med de funna värden på g från Dirac-teori och strängtoeri. Beviset för denna universalitet testades genom ett exempel där Lagrangianen för W-bosonen i kvantfältsteori visades bete sig som förväntat när massan för partikeln tilläts gå mot noll. Vidare undersöktes rörelseekvationerna för ett system helt bestämt av dess spin. I dessa kan det visas att ett universellt värde på g oavsett spin reducerar dessa ekvationer avsevärt.

Neste trabalho, apresentamos estudos de magnetotransporte em um sistema quase tridimensional de elétrons produzido em amostras contendo poços quânticos parabólicos (PQW, Parabolic Quantum Well ) formados em heteroestruturas de AlGaAs crescidos sobre substratos de GaAs pela técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE). Na primeira parte do nosso trabalho realizamos medidas de magnetoresistência, efeito Hall e efeito Shubnikov-de Haas em PQWs com larguras de 1000 Å a fim de investigar as propriedades eletronicas tais como a concentração e a mobilidade dos elétrons nas amostras. Através de cálculos autoconsistentes determinou-se os perfis de potencial, os níveis de energia e as concentrações de cada uma das sub-bandas ocupadas no poço. Uma análise através da transformada de Fourier também permitiu determinar as concentrações eletrônicas nas sub-bandas. Em uma segunda parte estudou-se a influência da aplicação de potenciais externos através de uma porta metálica com barreira em uma amostra contendo um PQW de largura 3000 Å na presença de campos magnéticos perpendicular e paralelo à superfície da amostra. Encontrou-se que para uma tensão de porta de Vg = 0, 55V forma-se uma barreira de potencial ainda sem ter depleção de cargas no poço. Apresenta-se a idealização do dispositivo transistor válvula de spin, a partir do fato que aplicando uma tensão de porta é possível deslocar espacialmente os elétrons e mudar a sua orientaçãp de spin. / Results from magnetic transport studies made on quasi-three-dimensional electron systems are presented in this work. AlGaAs heterostructures grown on GaAs subtrates through molecular beam epitaxy (MBE) enable the existence of this type of systems by means of parabolic quantum wells (PQW) formation. This work was developed in two main parts. First, we studied magnetoresistence phenomena, such as Hall effect and Shubnikov-de Haas, on 1000 Å width PQWs. This permits to know the electronic concentration and mobility values of this type of samples, among other electrical properties. Then, self-consistent calculations gave an outline of the size and shape of the potentials, and gave the values for the energy levels and the electronic concentration on each occupied sub-band of the quantum well. Through Fourier transform analysis was also possible to obtain and confirm the electronic concentrations of the occupied sub-bands. In the second part of the work, we studied the effects of applying an external potential through a barrier gate to a 3000 Å width PQW sample in the presence of magnetic fields parallel and perpendicular to the sample surface. For a V g = 0, 55 V gate voltage, it was found that a potential barrier was formed even without charge depletion in the well. An idealization for the spin valve transistor device, based on the fact that applying a gate potential spatially dislocates the electrons and changes their spin orientation, is presented.

Neste trabalho, apresentamos estudos sobre o transporte eletrônico de cargas e diagramas de fase no plano ns-B em bicamadas eletrônicas ou poços quânticos duplos, formados de ligas semiconductoras de AlxGa1-xAs e GaAs, assim como também em poços quânticos triplos de GaAs. Para esta finalidade, amostras de poços duplos com diferentes concentrações de Al (x) dentro de cada poço e triplos de GaAs foram crescidas. Inicialmente, se apresenta um estudo teórico, o qual mostrou que, em poços quânticos duplos em que em cada poço a concetração de Al é diferente, a aplicação de tensões de porta permite a modulação do fator g de Landé dos elétrons confinados nesses poços. Em especial, estudou-se o caso de concentrações de Al que correspondem a valores do fator g com sinal oposto, em cada poço. Posteriormente se faz um estudo teórico da estrutura eletrônica das amostras de poços duplos e triplos, em seguida apresenta-se os fundamentos teóricos que serão de base para a interpretação de nosso resultados experimentais. Na primeira parte de nosso trabalho, medidas de magnetotransporte (Shubnikov-de Haas (SdH) e Hall), foram realizadas em todas as amostras de estudo. Na amostra de poço duplo 3242, com fator g de Landé de sinais opostos foi encontrado o colapso do gap de spin nas oscilações SdH com o incremento do campo magnético, ou seja, a soma da energia de Zeeman mais a energia de troca e correlação é igual ao potencial de desordem. Este colapso é atribuido à competição entre as energias de troca, intracamadas e intercamadas. Foi realizada uma análise das oscilações SdH através da transformada de Fourier (FFT), para mostrar que as propriedades eletrônicas tais como a concentração e mobilidade dos elétrons, nas amostras de poços duplos, decrescem à medida que aumenta a concentracão de Al. As propriedades eletrônicas nas amostras de poços triplos dependem dos parâmetros de crescimento, tal como a largura dos poços e barreira. Na segunda parte, são apresentados diagramas de fase ns-B, obtidos através da justaposição dos espectros de magnetorresistência, em amostras de poços duplos e triplos em campo magnético perpendicular e certos valores de campo inclinado. Mostra-se que, em campo magnético perpendicular, o modelo de uma partícula sem interações descreve com boa aproximação o aparecimento dos anéis no diagrama de fase para a amostra de poço duplo com g = -0,44. No entanto, na amostra com g ~ 0 o modelo não descreve em boa aproximação os diagramas de fase em campo magnético perpendicular e inclinado, precisando de um modelo que inclua termos de interação de muitos corpos para uma possível explicação. Também se prediz a existência de um estado canted antiferromagnético. O modelo também mostrará que os diagramas de fase das amostras de poços triplos têm um comportamento semelhante ao das amostras de poços duplos, quando a densidade de elétrons do poço central é baixa comparada com a densidade dos poços laterais. / In this work, we present studies about the electronic transport of charges and phase diagrams in the ns-B plane in electronic bilayers or double quantum wells formed of both AlxGa1-xAs and GaAs semiconductor alloys, also in GaAs triple quantum wells. For this purpose, double quantum wells with different aluminium compositions (Al(x)) in each well and triple quantum wells samples were growth. Firstly, a theoretical study was presented, which showed that in double quantum wells with different Al compositions, the aplication of gate voltages allow the modulation of the Landé g factor of the electrons confined within each well. In particular, the case where the quantum wells have different Al compositions was studied, which lead to the opposite signs of the electronic g-factor in each well. After this, a theoretical study of the electronic structure has been presented of both double and triple quantum wells, then, a basic theory has been presented, which will be the base for the interpretation of our experimental results. At the frst part of our work, magnetotransport measurements (Shubnikov-de Haas (SdH) and Hall) were performed in all the studied samples. In the double quantum well sample (3242), wich has Landé g-factor with opposite signs in each well, was found the spin gap collapse at the Shubnikov-de Haas oscillations with an increase in the magnetic field, that is, the sum of the bare Zeeman energy and exchange potencial energy has the same magnitude of the disorder potencial. This collapse was attributed to the competition between the interlayer and intralayer exchange energies. Fast Fourier transform (FFT) of the Shubnikov-de Haas oscillations was performed in the double and triple quantum well samples to show that the electronic properties, such as electron density and mobility decrease with the increase of the Al compositions. On the other hand, the electronic properties on the triple quantum well samples depend on growth parameters, such as width and heigh barriers of the wells. At the second part ns- B phase diagrams were determined through the superposed longitudinal magnetoresistance, in the double and triple quantum wells samples at the perpendicular magnetic field and certain values of tilted magnetic fields. It has been shown that in a perpendicular magnetic field a single particle model describes in a good aproximation the appearance of ring structures in the phase diagram of the double quantum well with g = -0:44. Meanwhile, at the sample with vanishing Landé g-factor (g ~ 0) the single particle model can not describe in a good approximation the phase diagram, being a requirement a many particle model for an possivel explanation. It has also been predicted the existence of a canted antiferromagnetic state. Finally, the model will also showed the phase diagram of triple quantum wells are similar to double quantum wells, when the electron density of the middle well is low compared to the side wells.

Neste trabalho, apresentamos estudos de magnetotransporte em um sistema quase tridimensional de elétrons produzido em amostras contendo poços quânticos parabólicos (PQW, Parabolic Quantum Well ) formados em heteroestruturas de AlGaAs crescidos sobre substratos de GaAs pela técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE). Na primeira parte do nosso trabalho realizamos medidas de magnetoresistência, efeito Hall e efeito Shubnikov-de Haas em PQWs com larguras de 1000 Å a fim de investigar as propriedades eletronicas tais como a concentração e a mobilidade dos elétrons nas amostras. Através de cálculos autoconsistentes determinou-se os perfis de potencial, os níveis de energia e as concentrações de cada uma das sub-bandas ocupadas no poço. Uma análise através da transformada de Fourier também permitiu determinar as concentrações eletrônicas nas sub-bandas. Em uma segunda parte estudou-se a influência da aplicação de potenciais externos através de uma porta metálica com barreira em uma amostra contendo um PQW de largura 3000 Å na presença de campos magnéticos perpendicular e paralelo à superfície da amostra. Encontrou-se que para uma tensão de porta de Vg = 0, 55V forma-se uma barreira de potencial ainda sem ter depleção de cargas no poço. Apresenta-se a idealização do dispositivo transistor válvula de spin, a partir do fato que aplicando uma tensão de porta é possível deslocar espacialmente os elétrons e mudar a sua orientaçãp de spin. / Results from magnetic transport studies made on quasi-three-dimensional electron systems are presented in this work. AlGaAs heterostructures grown on GaAs subtrates through molecular beam epitaxy (MBE) enable the existence of this type of systems by means of parabolic quantum wells (PQW) formation. This work was developed in two main parts. First, we studied magnetoresistence phenomena, such as Hall effect and Shubnikov-de Haas, on 1000 Å width PQWs. This permits to know the electronic concentration and mobility values of this type of samples, among other electrical properties. Then, self-consistent calculations gave an outline of the size and shape of the potentials, and gave the values for the energy levels and the electronic concentration on each occupied sub-band of the quantum well. Through Fourier transform analysis was also possible to obtain and confirm the electronic concentrations of the occupied sub-bands. In the second part of the work, we studied the effects of applying an external potential through a barrier gate to a 3000 Å width PQW sample in the presence of magnetic fields parallel and perpendicular to the sample surface. For a V g = 0, 55 V gate voltage, it was found that a potential barrier was formed even without charge depletion in the well. An idealization for the spin valve transistor device, based on the fact that applying a gate potential spatially dislocates the electrons and changes their spin orientation, is presented.

Neste trabalho, apresentamos estudos sobre o transporte eletrônico de cargas e diagramas de fase no plano ns-B em bicamadas eletrônicas ou poços quânticos duplos, formados de ligas semiconductoras de AlxGa1-xAs e GaAs, assim como também em poços quânticos triplos de GaAs. Para esta finalidade, amostras de poços duplos com diferentes concentrações de Al (x) dentro de cada poço e triplos de GaAs foram crescidas. Inicialmente, se apresenta um estudo teórico, o qual mostrou que, em poços quânticos duplos em que em cada poço a concetração de Al é diferente, a aplicação de tensões de porta permite a modulação do fator g de Landé dos elétrons confinados nesses poços. Em especial, estudou-se o caso de concentrações de Al que correspondem a valores do fator g com sinal oposto, em cada poço. Posteriormente se faz um estudo teórico da estrutura eletrônica das amostras de poços duplos e triplos, em seguida apresenta-se os fundamentos teóricos que serão de base para a interpretação de nosso resultados experimentais. Na primeira parte de nosso trabalho, medidas de magnetotransporte (Shubnikov-de Haas (SdH) e Hall), foram realizadas em todas as amostras de estudo. Na amostra de poço duplo 3242, com fator g de Landé de sinais opostos foi encontrado o colapso do gap de spin nas oscilações SdH com o incremento do campo magnético, ou seja, a soma da energia de Zeeman mais a energia de troca e correlação é igual ao potencial de desordem. Este colapso é atribuido à competição entre as energias de troca, intracamadas e intercamadas. Foi realizada uma análise das oscilações SdH através da transformada de Fourier (FFT), para mostrar que as propriedades eletrônicas tais como a concentração e mobilidade dos elétrons, nas amostras de poços duplos, decrescem à medida que aumenta a concentracão de Al. As propriedades eletrônicas nas amostras de poços triplos dependem dos parâmetros de crescimento, tal como a largura dos poços e barreira. Na segunda parte, são apresentados diagramas de fase ns-B, obtidos através da justaposição dos espectros de magnetorresistência, em amostras de poços duplos e triplos em campo magnético perpendicular e certos valores de campo inclinado. Mostra-se que, em campo magnético perpendicular, o modelo de uma partícula sem interações descreve com boa aproximação o aparecimento dos anéis no diagrama de fase para a amostra de poço duplo com g = -0,44. No entanto, na amostra com g ~ 0 o modelo não descreve em boa aproximação os diagramas de fase em campo magnético perpendicular e inclinado, precisando de um modelo que inclua termos de interação de muitos corpos para uma possível explicação. Também se prediz a existência de um estado canted antiferromagnético. O modelo também mostrará que os diagramas de fase das amostras de poços triplos têm um comportamento semelhante ao das amostras de poços duplos, quando a densidade de elétrons do poço central é baixa comparada com a densidade dos poços laterais. / In this work, we present studies about the electronic transport of charges and phase diagrams in the ns-B plane in electronic bilayers or double quantum wells formed of both AlxGa1-xAs and GaAs semiconductor alloys, also in GaAs triple quantum wells. For this purpose, double quantum wells with different aluminium compositions (Al(x)) in each well and triple quantum wells samples were growth. Firstly, a theoretical study was presented, which showed that in double quantum wells with different Al compositions, the aplication of gate voltages allow the modulation of the Landé g factor of the electrons confined within each well. In particular, the case where the quantum wells have different Al compositions was studied, which lead to the opposite signs of the electronic g-factor in each well. After this, a theoretical study of the electronic structure has been presented of both double and triple quantum wells, then, a basic theory has been presented, which will be the base for the interpretation of our experimental results. At the frst part of our work, magnetotransport measurements (Shubnikov-de Haas (SdH) and Hall) were performed in all the studied samples. In the double quantum well sample (3242), wich has Landé g-factor with opposite signs in each well, was found the spin gap collapse at the Shubnikov-de Haas oscillations with an increase in the magnetic field, that is, the sum of the bare Zeeman energy and exchange potencial energy has the same magnitude of the disorder potencial. This collapse was attributed to the competition between the interlayer and intralayer exchange energies. Fast Fourier transform (FFT) of the Shubnikov-de Haas oscillations was performed in the double and triple quantum well samples to show that the electronic properties, such as electron density and mobility decrease with the increase of the Al compositions. On the other hand, the electronic properties on the triple quantum well samples depend on growth parameters, such as width and heigh barriers of the wells. At the second part ns- B phase diagrams were determined through the superposed longitudinal magnetoresistance, in the double and triple quantum wells samples at the perpendicular magnetic field and certain values of tilted magnetic fields. It has been shown that in a perpendicular magnetic field a single particle model describes in a good aproximation the appearance of ring structures in the phase diagram of the double quantum well with g = -0:44. Meanwhile, at the sample with vanishing Landé g-factor (g ~ 0) the single particle model can not describe in a good approximation the phase diagram, being a requirement a many particle model for an possivel explanation. It has also been predicted the existence of a canted antiferromagnetic state. Finally, the model will also showed the phase diagram of triple quantum wells are similar to double quantum wells, when the electron density of the middle well is low compared to the side wells.

Neste trabalho, apresentamos o resultado de nossas investigações em amostras de poços quânticos parabólicos (PQW) de AlGaAs crescidas em substratos de GaAs por MBE (Molecular Beam Epitaxy). Nossos estudos se concentram nas implicações da variação do fator g de Landé ao longo da estrutura dos PQW, a qual ocorre em virtude da dependência dessa grandeza com respeito ao conteúdo de Al na liga AlGaAs. Essas implicações são analisadas através de medidas de transporte eletrônico (medidas de Hall e do efeito Shubnikov-de Haas). As medidas de Subnikov-de Haas a temperaturas da ordem de dezenas a centenas de milikelvin com variação do ângulo de inclinação se mostram um eficiente método para a determinação do fator g. Distinguimos não só o fator g determinado pelas propriedades da liga, como também uma contribuição oriunda de efeitos de muitos corpos (contribuição de troca). Por outro lado, as medidas de Hall nos revelam um comportamento anômalo, que mostramos não ter origem no conhecido "efeito Hall anômalo" presente em materiais ferromagnéticos, nem em efeitos de ocupação de múltiplas sub-bandas. Atribuímos o fenômeno a um efeito "válvula de spin", conseqüente da variação espacial do fator g. Nossas observações nos permitem a idealização de um transistor "válvula de spin", prescindindo do emprego de materiais magnéticos. / We present the results of our investigations concerning MBE grown AlGaAs/GaAs parabolic quantum well (PQW) samples. We focused on the variation of the Landé g factor along the structure of the PQWs, which occur as a consquence of its dependence on the Al content on the alloy AlGaAs. The implications are studied by Hall and Shubnikov-de Haas measurements. Shubnikov-de Haas measurements at temperatures of the order of tenths to hundreds of milikelvin with variation of the tilt angle are shown to be an efficient method for the determination of the g factor. We could distinguish not only the alloy g factor, but its many body contribution (exchange contribution). On the other hand, Hall measurements exhibit an unusual behavior, which we prooved it has no relation neither to the well known "anomalous Hall effect", a characteristic of ferromagnetic materials, nor to a multi subband occupation effect. We atribute such behavior to a "spin valve effect", caused by the spatial variation of the g factor. Our observations allow us to idealize a "spin valve" transistor, without any ferromagnetic material in its structure.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von verdünnten magnetischen II-VI und III-V Halbleiter-Dünnschichten. Diese Systeme bieten vereinfachte optische kohärente Kontrolle von Spin-basierten Prozessen und eignen sich hervorragend für den Einsatz in zukünftigen opto-magnetischen Anwendungen. ZnO-, ZnXO-, GaN- und GaXN-Proben (X = Mangan, Cobalt) sind mit Hilfe der naßchemischen Sol-Gel Synthese hergestellt worden. Sie werden mit Hilfe der Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Die spektrale Position der elektronischen Niveaus in der Nähe der Bandkante dieser Materialien wird bestimmt, um in weiteren Experimenten die freien und gebundenen Exzitonen einzeln abzufragen. Mit der Methode der zeitaufgelösten differentiellen Transmissionsspektroskopie (TRDT) werden die Lebensdauern dieser Ladungsträger bestimmt und mit ultraschnellen Prozessen der optischen Anregung und Relaxation in Verbindung gebracht. Die Methode der zeitaufgelösten Faraday-Rotation-Spektroskopie (TRFR) wird angewandt, um die kohärente Spindynamik des optisch angeregten Teilchenensembles zu beschreiben. Die Kohärenz unterliegt den Störeinflüssen verschiedener Streumechanismen, die in der vorliegenden Arbeit identifiziert und quantitativ beschrieben werden. Bei einigen untersuchten Materialsystemen (ZnCoO, ZnMnO und GaMnN) wird die jeweilige spezifische Elektron-Ion Austauschenergie N0α bestimmt, welche die Kopplungsstärke der elektronischen Spins zu denen der Dotierionen beschreibt.

The subject of this thesis is high-precision mass-measurements performed with Penning trap mass spectrometers (PTMS). In particular it describes the SMILETRAP I PTMS and the final results obtained with it, the masses of 40Ca and that of the proton. The mass of 40Ca is an indispensible input in the evaluation of measurements of the bound electron g-factor, used to test quantum electrodynamical calculations in strong fields. The value obtained agrees with available literature values but has a ten times higher precision. The measurement of the proton mass, considered a fundamental physical constant, was performed with the aim of validating other Penning trap results and to test the limit of SMILETRAP I. It was also anticipated that a measurement at a relative precision close to 10-10 would give insight in how to treat certain systematic uncertainties. The result is a value of the proton mass in agreement with earlier measurements and with an unprecedented precision of 1.8×10-10. Vital for the achieved precision of the proton mass measurement was the use of the Ramsey excitation technique. This technique, how it was implemented at SMILETRAP I and the benefits from it is discussed in the thesis and in one of the included papers. The second part of the thesis describes the improved SMILETRAP II setup at the S-EBIT laboratory, AlbaNova. All major changes and upgrades compared to SMILETRAP I are discussed. This includes, apart from the Ramsey excitation technique, higher ionic charge states, improved temperature stabilization, longer run times, different reference ions, stronger and more stable magnetic field and a more efficient ion detection. Altogether these changes should reduce the uncertainty in future mass determinations by an order of magnitude, possibly down to 10-11. / At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 9: Accepted.