Título
Efectos termoespintrónicos en heteroestructuras semiconductoras con interacción espín-órbita
Thermospintronics effects in semiconductor heteroestructures with spin-orbit interaction
Autor
Priscilla Elizabeth Iglesias Vazquez
Colaborador
Jesús Alberto Maytorena Cordova (Asesor de tesis)
Nivel de Acceso
Acceso Abierto
Materias
Resumen o descripción
La interacción espín-órbita (IEO) presente en sistemas electrónicos de baja dimensionalidad, proporciona una vía de acceso a los estados de espín mediante mecanismosmagneticos, ópticos, eléctricos y recientemente térmicos. En esta clase de sistemas la IEO se traduce a un campo magnético efectivo, llamado campo espín-órbita, que depende del momento del electrón. Algunos de los principales fenómenos espintrónicos son el efecto Hall de espín (SHE), consistente en la generación de una corriente transversal de espín, y la polarización de espín como respuesta a una corriente eléctrica, ambos fenómenos inducidos por el campo espínórbita, sin que se requieran campos magnéticos externos o materiales magnéticos. En esta tesis investigamos sus análogos térmicos, es decir, un SHE y una polarización de espín como respuesta a un gradiente de temperatura pero a través del efecto termoeléctrico. Consideramos el efecto conjunto de la IEOtipo Rashba y tipo Dresselhaus que introduce un desdoblamiento anisotrópico de los estados de espín. Dicha anisotropía da lugar a características espectrales muy diferentes de las correspondientes a los casos en que sólo existe acoplamiento isotrópico (sólo Rashba o Dresselhaus). Utilizamosel formalismo de la teoria cuántica de la respuesta lineal para calcular los coeficientes fenomenológicos en respuesta lineal a un gradiente de temperatura y un campo eléctrico que oscilan a una frecuencia dada. En particular, calculamos las conductividades de espín, eléctrica, termoeléctrica, los coeficientes Seebeck y Seebeck de espín, así como la polarizabilidad de espín en el régimen dinámico. Consideramos los casos de pozos cuánticos formados en heterostructuras semiconductoras con estructura cristalina tipo zincblenda, orientados en las direcciones cristalográficas pl_001, pl_110 y pl_111. Se obtuvieron fórmulas que establecen una relación entre la corriente eléctrica, la corriente de espín y la orientación de espín como respuesta a un gradiente de temperatura, válidas estrictamente para IEO lineal en el vector de onda k. A través de dichas conexiones, se demostró la anulación del fenómeno de la orientación de espín y del SHE inducidos por un gradiente de temperatura vía el efecto termoeléctrico. Este resultado refuta la predicción reportada por Z. Ma (2010), único trabajo sobre el tema y que además sólo considera el acoplamiento Rashba. No obstabte, al considerar la contribución cúbica en k del acoplamiento Dresselhaus se obtiene que la corriente de espín inducida por un gradiente de temperatura no se anula. En general, los resultados sugieren la posibilidad de acceder al grado de libertar del espín a través de distintos mecanismos, tales como la variación de la frecuencia de la perturbación eléctrica o térmica aplicada, además de la modulabilidad de los parámetros de acoplamiento.
The spin-orbit interaction (SOI) in low dimensional electronic systems, provides a mechanism to access the spin states through magnetic, optical, electrical and thermal means. In this class of systems, the SOI acts as an effective magnetic field, called spin-orbit field, which depends on the electron momentum. Among the spintronics effects, the most remarkable examples are the spin Hall effect (SHE) and the current-induced spin polarization, where an electric current can induce a tranverse spin current and a nonequilibrium spin accumulation across the sample, without external magnetic fields or magnetic materials are required. In this thesis we investigated the thermal analogue, i.e., a SHE and spin polarization in response to a temperature gradient via the thermoelectric effect. We taking into account the simultaneous presence of the Rashba and Dresselhaus SOI, the interplay between these couplings give rise to an anisotropic spin splitting caused by the combined SOI give rise to characteristric spectral features that are significatively different from that of an isotropic SOI case (only Rashba or Dresselhaus). We use the linear response theory to calculate the phenomenological transport coefficient in linear resonse to frequency dependent in plane electric field and temperature gradient. In particular, we calculate the charge, thermoelectric and spin conductivities, and the Seebeck and spin Seebeck coefficients in the dynamical regime. We consider the cases of quantum wells formed in semiconductor heterostructures with zincblande type crystalline structure oriented in the cryustallographic directions pl_001, pl_110 and pl_111. We derived connection formulas relating the electrically and thermally driven spin and charge conductivities, characteristic of the linear in k SOI, which lead to a connection between the charge and spin currents and the spin orientation. Based on this connections it is shown that the spin orientation and the SHE generated by the temperature gradient vanish exactly. This result refutes the predicted nonvanishing effect for the pure Rashba case (Ma, 2010). However, a non-null thermospibn current response in the presence of cubic Dresselhaus terms is obtained, in contrast to the purely linear SOI. In general, the results suggest the possibility to access the spin degree of freedom via thermal and electrical means, in addition to the tuning of coupling parameters.
Editor
CICESE
Fecha de publicación
2016
Tipo de publicación
Tesis de doctorado
Recurso de información
Formato
application/pdf
Idioma
Español
Sugerencia de citación
Iglesias Vázquez, P.E.2016.Efectos termoespintrónicos en heteroestructuras semiconductoras con interacción espín-órbita.Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California.103 pp.
Repositorio Orígen
Repositorio Institucional CICESE
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