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Previous issue date: 2003-10-10 / Effects of the direct and exchange electron-electron interaction, external magnetic
field, symmetry of the charge carriers confining potential, radius, material g-factor, and
also of the spin-orbit interaction in zincblende structure materials, are treated on the
electronic and transport properties of semiconductor quantum dots (islands) charged by
many particles. Three distinct kinds of confining potentials are considered: spherical,
parabolic, and quasi-one-dimensional which, respectively, define a three-dimensional,
two-dimensional, and one-dimensional island; the first one is more appropriated for the
description of quantum dots formed in glassy matrices, while the last two better describe
quantum dots litographically defined in a two-dimensional electron gas.
Transport properties are considered in the spherical and quasi-one-dimensional
islands, where we assume that the electronic current is in the resonant tunneling ballistic
and coherent regimes, with essential role played by the excited states of the specific
symmetry. We show that different geometries induce distinct level ordering in the island
and that there is, in addition to the usual spin blockade, another kind of blockade
mechanism which influences the system current; we label it by orbital blockade, because
it is essentially due to the structure geometric confinement.
We calculate the electronic spectrum of the many-particle system according to its
symmetry. In the spherical case, we firstly use the LS-coupling scheme in order to obtain
the eigenstates of an island charged by 3 electrons, following the orbital L and spin S total
angular momentum addiction rules; we consider intensities of the magnetic field that
allow us to neglect its diamagnetic contribution; the electron-electron interaction is
treated as a perturbation in a Hartree-Fock way. In the following we use, in this same
symmetry, the Roothaan and Pople-Nesbet matrix methods in order to deal with islands
charged by 40 electrons, where the addition spectrum is calculated and Hund s rule is
verified; we show how a magnetic field is able to violate such rule. The advantage of this
numerical approach is the possibility to deal with a very high occupation in the island; the
disadvantage is that their eigenstates do not have defined L and S values, as it is the case
in the LS-coupling scheme.
In the parabolic case, we employ a numerical diagonalization in order to obtain
the island eigenstates charged by 2 electrons, without any restrictions regarding the
magnetic field intensity or the system radius; we take into account both possible spinorbit
couplings, one related to the implicit absence of zincblende crystalline structure
inversion symmetry (Dresselhaus effect), and the other one related to the absence of
structure inversion symmetry as caused by the confinement defining the two-dimensional
electron gas (Rashba effect); we analyze the critical magnetic fields where both effects
give origin to a intrinsic spin mixture in the island, inducing level anticrossings in the
Fock-Darwin spectrum where intense spin-flips processes occur. In the quasi-onedimensional
case, we just reproduce a known spectrum for an island charged by 4
electrons. / Efeitos da interação elétron-elétron direta e de troca, de um campo magnético
externo, da simetria da região de confinamento dos portadores de carga, do raio dessa
região, do fator g do material e das possíveis formas de interação spin-órbita em materiais
com estrutura zincblende, são abordados nas propriedades eletrônicas e de transporte de
pontos quânticos semicondutores (ilhas) populados por muitas partículas. Três distintos
tipos de potenciais confinantes são considerados: esférico, parabólico, e quasiunidimensional,
os quais, respectivamente, definem uma ilha tridimensional,
bidimensional, e unidimensional; o primeiro é mais apropriado para a descrição de pontos
quânticos formados em matrizes vítreas, enquanto os dois últimos descrevem melhor
pontos quânticos litograficamente definidos em um gás de elétrons bidimensional.
Propriedades de transporte só não são consideradas no caso parabólico. Nos
demais casos, assumimos que a corrente eletrônica se dê em regime balístico e coerente
de tunelamento ressonante, com participação essencial dos estados excitados da
respectiva simetria. Comprovamos que diferentes geometrias induzem distintos
ordenamentos de níveis da ilha e mostramos que, em adição ao bloqueio de spin usual,
existe um outro mecanismo de bloqueio que influi na corrente do sistema, o qual
rotulamos como bloqueio orbital por ser devido essencialmente ao confinamento
geométrico da estrutura.
Calculamos o espectro eletrônico do sistema de muitas partículas de acordo com
sua simetria. No caso esférico, usamos primeiramente o esquema de acoplamento LS
para obter os auto-estados de uma ilha populada por até 3 elétrons, seguindo as regras de
adição dos momentos angulares totais orbital L e de spin S, e consideramos intensidades
do campo magnético que nos permitam desprezar sua contribuição diamagnética; a
interação elétron-elétron é tratada como uma perturbação à maneira Hartree-Fock. Em
seguida, nessa mesma simetria, usamos os métodos matriciais de Roothaan e Pople-
Nesbet para lidarmos com ilhas populadas por até 40 elétrons, onde o espectro de adição
é calculado e a regra de Hund verificada; mostramos como um campo magnético é capaz
de violar essa regra. A vantagem dessa abordagem numérica é que podemos lidar com
um número muito maior de partículas; a desvantagem é que nem sempre os estados que
essa teoria fornece são autoestados com L e S definidos, como ocorre no acoplamento LS.
No caso parabólico, realizamos uma diagonalização numérica para a obtenção dos
auto-estados de uma ilha populada por até 2 elétrons, sem restrições quanto à intensidade
do campo magnético e nem quanto ao raio do sistema, e levando-se em conta ambos os
acoplamentos spin-órbita possíveis, sendo um relativo à ausência implícita de simetria de
inversão da estrutura cristalina zincblende (efeito Dresselhaus), e outro relativo à
ausência de simetria de inversão estrutural causada pelo confinamento que define o gás
de elétrons bidimensional (efeito Rashba); analisamos os campos magnéticos críticos
onde esses dois efeitos causam uma mistura intrínseca dos spins na ilha, induzindo
anticruzamentos de níveis no espectro Fock-Darwin onde intensos processos spin-flip
ocorrrem. Já no caso quasi-unidimensional, apenas reproduzimos um espectro já
conhecido para uma ilha populada por até 4 elétrons.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/4955 |
| Date | 10 October 2003 |
| Creators | Destefani, Carlos Fernando |
| Contributors | Marques, Gilmar Eugenio |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Física, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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