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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-34360
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3436/


Spin-dependent electronic transport in nanowires in the presence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings

Spinabhaengiger elektronischer Transport in Nanodrähten in Anwesenheit von Rashba und Dresselhaus Spin Orbit Kopplung

Yamamoto, Masayuki

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Freie Schlagwörter (Englisch): Spin-orbit coupling , Rashba , Dresselhaus
Basisklassifikation: 33.52
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kramer, Bernhard (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.08.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 16.10.2007
Kurzfassung auf Deutsch: Die Spin-Orbit Kopplung ist eine relativistische Korrektur zur
Schroedingergleichung, die in Anwesenheit elektrischer Felder
auftritt. Der Effekt ist ziemlich schwach und wird erst signifikant,
wenn sich Elektronen in der Naehe von Atomkernen bewegen. In
Festkoerpern jedoch wird dieser Effekt durch die Kopplung der
Baender sehr verstaerkt. Moderate elektrische Felder genuegen,
um die Spin- und Orbital-Zustaende der Elektronen zu beeinflussen.

Vor einigen Dekaden sagte Rashba et al. die Spin-Orbit
Kopplung, verursacht durch die Asymmetrie des Einschlusspotentials,
voraus. Waehrend D'yakonov et al. prognostizierte, dass die
Separation von spinpolarisiertem elektrischem Strom durch die von
Stoerstellen induzierte Spin-Orbit Kopplung auftreten sollte.
Kuerzlich fand man beide Effekte in Experimenten. Auf der einen Seite
konnte gezeigt werden, dass die Staerke der Spin-Orbit Kopplung in
einem zweidimensionalen Elektronensystem durch die Gatespannung
modifiziert werden kann. Auf der anderen Seite hat man den sogenannten
extrinsischen Spin-Hall Effekt in Halbleitern und Metallen sogar bei
Raumtemperatur gefunden. Diese Entdeckungen oeffnen den Weg zur
Spintronik, welche bezweckt, den Spin eines elektrischen Stroms
zusaetzlich zu seiner Ladung zu verwenden.

In dieser Arbeit wird der spinabhaengige elektronische Transport
durch Nanodraehte in Anwesenheit der Spin-Orbit Kopplung numerisch
untersucht. Zunaechst zeigen wir die Herleitung des effektiven
Hamiltonoperators mit Spin-Orbit Kopplung von der Betrachtung der
Einheitszelle eines III-V-Halbleiters. Dann eroertern wir, wie man
numerisch den elektronischen Transport in mesoskopischen Systemen,
beschrieben durch den effektiven Hamiltonoperator, berechnet.
Zum Schluss sagen wir voraus, dass die Kombination eines
Three-Terminal Nanoscale Conductors mit Spin-Orbit Kopplung
spinpolarisierten elektrischen Strom induzieren kann, in Abwesenheit
magnetischer Felder.
Kurzfassung auf Englisch: Spin-orbit coupling is a relativistic correction to the Schroedinger
equation in the presence of electric field. The effect is very weak
and becomes significant only if electrons are traveling in the
vicinity of nuclei of atoms where electric field is extremely high.
In solids, however, this effect is strongly enhanced due to the band
couplings. Moderate electric field is enough to affect the spin and
orbital states of electrons.

A few decades ago, Rashba et al. predicted the spin-orbit coupling
induced by the asymmetric confinement potential in two-dimensional systems
while D'yakonov et al. predicted that separation of spin polarized
electric current should occur due to the spin-orbit coupling induced
by impurities. Recently, both effects have been observed in experiments.
On the one hand, it is shown that the strength of spin-orbit coupling
can be modified by gate voltage in two-dimensional electron systems.
On the other hand, the so-called extrinsic spin Hall effect has been
observed in semiconductors and metals even at room temperature.
These observations open the way to spintronics which aims to use spin
of an electric current in addition to charge of it.

In this thesis, we have numerically investigated the spin-dependent
electronic transport via nanowires in the presence of spin-orbit coupling.
We firstly show the derivation of the effective Hamiltonian with
spin-orbit coupling from the unit cell of III-V semiconductors.
Then we show how one can numerically calculate the electronic
transport in mesoscopic systems described by the effective Hamiltonian.
Finally, we have predicted that combination of three-terminal
nanoscale conductor and spin-orbit coupling can induce spin polarized
electric current in the absence of magnetic field.

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