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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-24191
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2005/2419/


Interaction and confinement in nanostructures : Spin-orbit coupling and electron-phonon scattering

Wechselwirkung und Beschränkung in Nanostrukturen : Spin-Bahn-Kopplung und Elektron-Phonon-Streuung

Debald, Stefan

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SWD-Schlagwörter: Spin-Bahn-Wechselwirkung , Elektron-Phonon-Wechselwirkung , Polaron , Mesoskopisches System , Quantenpunkt , Nanostruktur , Quantendraht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Spintronik , Elektronischer Transport , Beschränkung , Nanomechanik
Freie Schlagwörter (Englisch): spintronic , electronic transport , confinement , nanomechanic
Basisklassifikation: 33.61 , 33.72 , 33.62
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kramer, Bernhard (Prof. Dr. Dr. h.c.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.04.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 18.04.2005
Kurzfassung auf Englisch: It is the purpose of this work to study the interplay of interaction and confinement in nanostructures using two examples.

In part I, we investigate the effects of spin-orbit interaction in parabolically confined ballistic quantum wires and few-electron quantum dots. In general, spin-orbit interaction couples the spin of a particle to its orbital motion. In nanostructures, the latter can easily be manipulated by means of confining potentials. In the first part for this work, we answer the question how the spatial confinement influences spectral and spin properties of electrons in nanostructures with substantial spin-orbit coupling. The latter is assumed to originate from the structure inversion asymmetry at an interface. Thus, the spin-orbit interaction is given by the Rashba model.

For a quantum wire, we show that one-electron spectral and spin properties are governed by a combined spin orbital-parity symmetry of wire. The breaking of this spin parity by a perpendicular magnetic field leads to the emergence of a significant energy splitting at k=0 and hybridisation effects in the spin density. Both effects are expected to be experimentally accessible by means of optical or transport measurements. In general, the spin-orbit induced modifications of the subband structure are very sensitive to weak magnetic fields. Because of magnetic stray fields, this implies several consequences for future spintronic devices, which depend on ferromagnetic leads.

For the spin-orbit interaction in a quantum dot, we derive a model, inspired by an analogy with quantum optics. This model illuminates most clearly the dominant features of spin-orbit coupling in quantum dots. The model is used to discuss an experiment for observing coherent oscillations in a single quantum dot with the oscillations driven by spin-orbit coupling. The oscillating degree of freedom represents a novel, composite spin-angular momentum qubit.

In part II, the interplay of mechanical confinement and electron-phonon interaction is investigated in the transport through two coupled quantum dots. Phonons are quantised modes of lattice vibration. Geometrical confinement in nanomechanical resonators strongly alters the properties of the phonon system. We study a free-standing quantum well as a model for a nano-size planar phonon cavity. We show that coupled quantum dots are a promising tool to detect phonon quantum size effects in the electron transport. For particular values of the dot level splitting Delta, piezo-electric or deformation potential scattering is either drastically reduced as compared to the bulk case, or strongly enhanced due to van-Hove singularities in the phonon density of states. By tuning Delta via gate voltages, one can either control dephasing in double quantum dot qubit systems, or strongly increase emission of phonon modes with characteristic angular distributions.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit betrachten wir das Zusammenspiel von Wechselwirkung und räumlicher Beschränkung anhand von zwei Beispielen.

In Teil I untersuchen wir Effekte der Spin-Bahn-Wechselwirkung in ballistischen Quantendrähten und Quantenpunkten. Die Spin-Bahn-Wechselwirkung koppelt den Spinfreiheitgrad eines Teilchens an seine orbitale Bewegung, die sich in Nanostrukturen leicht durch beschränkende Potentiale beeinflussen lässt. Im ersten Teil dieser Arbeit betrachten wir, wie die spektralen und Spineigenschaften in Systemen mit substantieller Spin-Bahn-Wechselwirkung von der räumlichen Beschränkung beeinflusst werden. Wir nehmen an, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung durch die Raumspiegelungsasymmetrie in einer Inversionsschicht bestimmt wird und beschreiben sie daher durch das Rashba Modell.

Wir zeigen, dass in einem Quantendraht die spektralen und Spineigenschaften eines Elektrons durch eine kombinierte Spin-Raumparitätssymmetrie bestimmt werden. Das Aufheben dieser Symmetrie durch ein senkrechtes Magnetfeld führt zu einer ausgeprägten Energieaufspaltung bei k=0 und Hybridisierungseffekten in der Spindichte. Es ist zu erwarten, dass beide Effekte für optische oder Transportexperimente zugänglich sind. Die von der Spin-Bahn-Wechselwirkung stammenden Modifikationen der Subbandstruktur sind sehr empfindlich gegenüber schwachen Magnetfeldern. Dies hat Konsequenzen für zukünftigen Spintronikbauteile, die von ferromagnetischen Zuleitungen abhängen (Streufelder).

Inspiriert von einer Analogie zur Quantenoptik, leiten wir am Beipiel des Quantenpunkts ein effektives Modell her, das die Hauptmerkmale der Spin-Bahn-Wechselwirkung in Quantenpunkten verdeutlicht. In diesem Modell diskutieren wir ein Experiment zur Beobachtung von spinbahngetriebenen kohärenten Oszillationen in einem einzelnen Quantenpunkt. Der oszillierende Freiheitsgrad stellt ein neues Qubit dar, das sich aus Spin und Drehimpuls zusammensetzt.

In Teil II untersuchen wir das Zusammenspiel von mechanischer Beschränkung und Elektron-Phonon-Wechselwirkung im Transport durch zwei gekoppelte Quantenpunkte. Phononen sind quantisierte Gitterschwingungen deren Eigenschaften stark von der Beschränkung in nanomechanischen Resonatoren beeinflusst werden. Am Beispiel einer ebenen Phononenkavität zeigen wir, dass gekoppelte Quantenpunkte einen vielversprechenden Detektor zum Nachweis von Phonon-"quantum-size"-Effekten im elektronischen Transport darstellen. Für gewisse Werte des Energieabstands Delta der Quantenpunkte wird die Streuung durch das piezoelektrische oder Deformationspotential entweder drastisch unterdrückt oder durch van-Hove Singularitäten in der Zustandsdichte der Phononen enorm verstärkt. Die Änderung von Delta ermöglicht es daher, Kontrolle über die Dephasierung in Doppelquantenpunkt-basierten Qubit-Systemen zu erlangen, oder die Emission in Phononmoden mit charakteristischer Winkelverteilung zu verstärken.

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