Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

Cette thèse présente un travail relatif à l'étude de la structure en spin longitudinal du nucléon. Le but est de déterminer la contribution des constituants du proton, quarks et gluons, à la formation de son spin 1/2. L'analyse s'appuie sur les données de l'expérience COMPASS qui bénéficie d'un faisceau de muons polarisés à 200 GeV diffusé sur les protons polarisés d'une cible d'ammoniac (NH₃) de 1,2 m de long. On mesure l'asymétrie de spin longitudinal des sections efficaces de diffusion profondément inélastique. On extrait la fonction de structure en spin du proton, g₁p, étendant la couverture cinématique mondiale à des régions inexplorées jusqu'à maintenant (0,0036 < x < 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 et 23 < W² (GeV/c)² < 320). Les résultats, d'une grande précision statistique, sont inclus dans une analyse des données mondiales de g₁p, g₁d et g₁n (proton, deutéron et neutron) au 2ème ordre de QCD afin de paramétrer les distributions de quarks et de gluons polarisés. L'étendue de la couverture cinématique en x et Q² des données mondiales de g₁, un élément déterminant pour la sensibilité à la polarisation des gluons ΔG, s'avère trop limitée pour constituer une extraction précise de celle-Ci. Néanmoins, l'analyse QCD permet de déterminer la contribution du spin des quarks au spin du proton à 0.26<ΔΣ<0.33 à Q² = 3 (GeV/c)² dans le schéma MSbar. L'étude montre que l'incertitude principale sur ΔΣ est liée au choix des formes fonctionnelles utilisées dans la régression des données. Enfin, la règle de somme de Bjorken, qui constitue un test de QCD, est vérifiée avec une précision de 9% en utilisant les données de COMPASS uniquement. / The work presented in this thesis is related to the study of the longitudinal spin structure of the nucleon. The aim is to determine the contribution to the spin 1/2 of the proton in terms of its constituents, quarks and gluons. The analysis is performed on the data taken with the COMPASS experiment, which benefits from a polarised muon beam at 200 GeV scattered off polarised protons from an ammonia target of 1.2 m long. The double longitudinal spin asymmetry of deep inelastic scattering cross-Section. The spin-Dependent structure function of the proton g₁p is derived from these measurements, which extend the kinematic world coverage to unexplored region so far (0,0036 < x< 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 and 23 < W² (GeV/c)² < 320).The results obtained with a high statistical precision are included in a Next-To-Leading order QCD analysis of world g₁p, g₁d and g₁n (proton, deuteron and neutron) data to parametrise the polarised quark and gluon distributions. The g₁ world coverage of the x and Q² kinematic domain, which is a key point in the sensitivity to the gluon polarisation ΔG, turns out to be too limited for an accurate ΔG determination. Nevertheless, the QCD analysis allows to determine the quark spin contributions to the proton spin to 0.26<ΔΣ<0.33 at Q² = 3 (GeV/c)² in the MSbar scheme. The dominant uncertainty on ΔΣ is related to the choice of functional forms assumed in the fit. Finally, the Bjorken sum rule, which constitutes a fundamental test of QCD, is verified on the COMPASS data alone with a precision of 9%.

<p>The concept of the transfer Hamiltonian formalism has been reconsidered and generalized to include the non-orthogonality between the electron states in an interacting region, e.g. quantum dot (QD), and the states in the conduction bands in the attached contacts. The electron correlations in the QD are described by means of a diagram technique for Hubbard operator Green functions for non-equilibrium states. </p><p>It is shown that the non-orthogonality between the electrons states in the contacts and the QD is reflected in the anti-commutation relations for the field operators of the subsystems. The derived forumla for the current contains corrections from the overlap of the same order as the widely used conventional tunneling coefficients. </p><p>It is also shown that kinematic interactions between the QD states and the electrons in the contacts, renormalizes the QD energies in a spin-dependent fashion. The structure of the renormalization provides an opportunity to include a spin splitting of the QD levels by polarizing the conduction bands in the contacts and/or imposing different hybridizations between the states in the contacts and the QD for the two spin channels. This leads to a substantial amplification of the spin polarization in the current, suggesting applications in magnetic sensors and spin-filters.</p>

The concept of the transfer Hamiltonian formalism has been reconsidered and generalized to include the non-orthogonality between the electron states in an interacting region, e.g. quantum dot (QD), and the states in the conduction bands in the attached contacts. The electron correlations in the QD are described by means of a diagram technique for Hubbard operator Green functions for non-equilibrium states. It is shown that the non-orthogonality between the electrons states in the contacts and the QD is reflected in the anti-commutation relations for the field operators of the subsystems. The derived forumla for the current contains corrections from the overlap of the same order as the widely used conventional tunneling coefficients. It is also shown that kinematic interactions between the QD states and the electrons in the contacts, renormalizes the QD energies in a spin-dependent fashion. The structure of the renormalization provides an opportunity to include a spin splitting of the QD levels by polarizing the conduction bands in the contacts and/or imposing different hybridizations between the states in the contacts and the QD for the two spin channels. This leads to a substantial amplification of the spin polarization in the current, suggesting applications in magnetic sensors and spin-filters.

Es werden ab-initio Rechnungen des Supermagnetwiderstands-Effektes von Fe/Cr-Multilagen vorgestellt. Die Elektronenstruktur wurde im Rahmen einer LCAO-Superzellen-Rechnung bestimmt. Als Störung der idealen Schichtstruktur wurden Cr-Defekte in Fe angenommen, die durch spinabhängige Relaxationszeiten beschrieben werden. Die elektrischen Transportkoeffizienten wurden durch Lösung der linearisierten Boltzmann-Gleichung in Relaxationszeitnäherung unter Verwendung des Mott-schen Zweistrommodells berechnet. Bei den betrachteten Systemen variierte die Dicke der Fe-Schicht zwischen 3 und 9 Monolagen, die der Cr-Schicht zwischen 1 und 13 Monolagen. In Abhängigkeit von der Fe- bzw. Cr-Schichtdicke ergeben sich in Übereinstimmung mit den Experimenten charakteristische Oszillationen des Supermagnetwiderstandes. Es wird der Einfluß der Spinanisotropie der Streuung auf den Effekt untersucht. Insbesondere kann gezeigt werden, daß der Effekt auch für spinunabhängige Streuung existiert. / Ab-initio calculations of the Giant Magnetoresistance (GMR) for Fe/Cr multilayers are presented. The electronic structure of the Fe/Cr superlattice is calculated within an optimized LCAO scheme using the local spin density approximation. The scattering of the electrons by Cr impurities in an Fe environment is taken into account by spin dependent relaxation times. The transport is described quasiclassically by solving the linearized Boltzmann equation in relaxation time approximation. In agreement with experiments characteristic oscillations of the GMR are obtained in dependence on the Cr and Fe layer thickness. It can be shown, that the GMR can be reduced or increased by the spin anisotropy of the scattering, but the phenomenon still exists for spin-independent scattering.

Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.