Spin-orbit interaction in quantum dots and quantum wires of correlated electrons - A way to spintronics?

Birkholz, Jens Eiko

dc.contributor.advisor	Meden, Volker Prof. Dr.	de
dc.contributor.author	Birkholz, Jens Eiko	de
dc.date.accessioned	2008-11-25T15:30:31Z	de
dc.date.accessioned	2013-01-18T13:39:54Z	de
dc.date.available	2013-01-30T23:51:11Z	de
dc.date.issued	2008-11-25	de
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B476-D	de
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2879
dc.description.abstract	In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss der Spin-Bahn-Wechselwirkung auf den elektronischen Transport durch Quantenpunkte und Quantendrähte korrelierter Elektronen untersucht. Von einem eindimensionalen unendlichen Kontinuumsmodel ohne Coulomb-Wechselwirkung ausgehend wird zunächst das Zusammenspiel zwischen Spin-Bahn-Wechselwirkung, externem Magnetfeld und externer Potentialstruktur diskutiert und gezeigt, dass Ströme mit signifikanter Spin-Polarisation für geeignet gewählte Systemparameter möglich sind. Da Gittermodelle die experimentelle Situation in niedrig-dimensionalen mesoskopischen Systemen häufig besser beschreiben als entsprechende Kontinuumsmodelle, wird ein Gittermodell konstruiert, welches bezüglich Energiedispersion und Spinpolarisation die gleichen Niedrigenergie-Eigenschaften wie das Kontinuumsmodell aufweist. Anschließend wird das Gitter auf eine endliche Länge beschränkt und mit zwei halbunendlichen wechselwirkungsfreien Zuleitungen, die als Fermi-Flüssigkeiten beschrieben werden können, verbunden. Eine Berechnung des linearen Leitwerts im Rahmen des Landauer-Büttiker-Formalismus zeigt, dass spinpolarisierte Ströme durch geeignete Parameterwahl auch für das Gittermodell auftreten, wobei der Grad der Spinpolarisation über das chemische Potential des Gesamtsystems gesteuert werden kann. Um die durch die Coulomb-Wechselwirkung induzierten Korrelationseffekte korrekt zu beschreiben, wird die funktionale Renormierungsgruppenmethode (fRG) benutzt. Für kurze Drähte (~100 Gitterplätze) wird gezeigt, dass die Coulomb-Wechselwirkung den Energiebereich, in dem Spinpolarisation zu beobachten ist, stark modifizieren kann. Für lange Drähte (>1000 Gitterplätze) beobachtet man eine Unterdrückung des linearen Leitwerts in Form eines Potenzgesetzes auf niedrigen Energieskalen, was charakteristisch für das Verhalten inhomogener Luttinger-Flüssigkeiten ist, wohingegen der Grad der Spinpolarisation erhalten bleibt. Bei der Untersuchung von Quantenpunkten (zwei Gitterplätze) wird der Kondo-Effekt beobachtet und der Einfluss der Spin-Bahn-Wechselwirkung auf die Kondo-Temperatur analysiert. Weiterhin wird für ein Aharonov-Bohm-Interferometer mit einem Quantenpunkt in dem einen Arm gezeigt, dass auch in komplizierteren Netzwerken der lineare Leitwert und die Spin-Polarisation durch Anpassung der Spin-Bahn-Kopplung gesteuert werden können. Eine Betrachtung der Stärke der Spin-Bahn-Kopplung in z.B. Halbleiter-Heterostrukturen zeigt, dass die hier gewählten Systemparameter experimentell realisierbar sind. Die in dieser Arbeit theoretisch diskutierten Ergebnisse könnten somit von bedeutender Relevanz für zukünftige Anwendungen in der Spintronik sein.	de
dc.format.mimetype	application/pdf	de
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/	de
dc.title	Spin-orbit interaction in quantum dots and quantum wires of correlated electrons - A way to spintronics?	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Spin-Bahn-Wechselwirkung in Quantenpunkten und Quantendrähten korrelierter Elektronen - Ein Weg Richtung Spintronik?	de
dc.contributor.referee	Meden, Volker Prof. Dr.	de
dc.date.examination	2008-10-06	de
dc.subject.dnb	530 Physik	de
dc.description.abstracteng	We study the influence of the spin-orbit interaction on the electronic transport through quantum dots and quantum wires of correlated electrons. Starting with a one-dimensional infinite continuum model without Coulomb interaction, we analyze the interplay of the spin-orbit interaction, an external magnetic field, and an external potential leading to currents with significant spin-polarization in appropriate parameter regimes. Since lattice models are known to often be superior to continuum models in describing the experimental situation of low-dimensional mesoscopic systems, we construct a lattice model which exhibits the same low-energy physics in terms of energy dispersion and spin expectation values. Confining the lattice to finite length and connecting it to two semi-infinite noninteracting Fermi liquid leads, we calculate the zero temperature linear conductance using the Landauer-Büttiker formalism and show that spin-polarization effects also evolve for the lattice model by adding an adequate potential structure and can be controlled by tuning the overall chemical potential of the system (quantum wire and leads). Next, we allow for a finite Coulomb interaction and use the functional renormalization group (fRG) method to capture correlation effects induced by the Coulomb interaction. The interacting system is thereby transformed into a noninteracting system with renormalized system parameters. For short wires (~100 lattice sites), we show that the energy regime in which spin polarization is found is strongly affected by the Coulomb interaction. For long wires (>1000 lattice sites), we find the power-law suppression of the total linear conductance on low energy scales typical for inhomogeneous Luttinger liquids while the degree of spin polarization stays constant. Considering quantum dots which consist of two lattice sites, we observe the well-known Kondo effect and analyze, how the Kondo temperature is affected by the spin-orbit interaction. Moreover, we show how the linear conductance and the spin-polarization can be controlled by tuning the spin-orbit interaction in an Aharonov-Bohm interferometer with a quantum dot in one arm. Finally, an estimation of the magnitude of the spin-orbit interaction in e.g. semiconductor heterojunctions shows that the system parameters used in our simulations are achievable in experiments. Therefore, the theoretical results obtained in this thesis might also be observable experimentally pointing out the relevance for future spintronic applications.	de
dc.contributor.coReferee	Kree, Reiner Prof. Dr.	de
dc.subject.topic	Mathematics and Computer Science	de
dc.subject.ger	Spin-Bahn-Wechselwirkung	de
dc.subject.ger	Spin-Polarisation	de
dc.subject.ger	linearer Leitwert	de
dc.subject.ger	Coulomb-Wechselwirkung	de
dc.subject.ger	Quantenpunkt	de
dc.subject.ger	Quantendraht	de
dc.subject.ger	funktionale Renormierungsgruppe	de
dc.subject.eng	spin-orbit interaction	de
dc.subject.eng	spin polarization	de
dc.subject.eng	linear conductance	de
dc.subject.eng	Coulomb interaction	de
dc.subject.eng	quantum wire	de
dc.subject.eng	quantum dot	de
dc.subject.eng	functional renormalization group	de
dc.subject.bk	Theoretische Physik: Allgemeines -> 33.10	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1953-7	de
dc.identifier.purl	webdoc-1953	de
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.subject.gokfull	RV	de
dc.identifier.ppn	599299517	de

Files in this item

Name:birkholz.pdf

Size:1.901Mb

Format:PDF

Description:Dissertation

View/Open

Name:: birkholz.pdf
Size:: 1.901Mb
Format:: PDF
Description:: Dissertation

View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Fakultät für Physik (inkl. GAUSS) [925]

Show simple item record