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Item Modelo de Kane 8 × 8 para a estrutura eletrônica de wurtzitas(2013-03-21) Pires, Diego PaivaA interação spin-órbita tem desempenhado um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade. Em resultados recentes abordando o modelo de Kane para sistemas cúbicos, particularmente redes zincblende, hamiltonianos efetivos são calculados por meio da técnica algébrica conhecida como folding down seguida de um processo de linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia com a devida correção na normalização do espinor da banda de condução [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. Motivados por estes estudos, este trabalho se concentra no estudo algébrico da estrutura eletrônica de semicondutores de rede wurtzita. Usando as simetrias da rede hexagonal, o modelo de Kane 8 × 8 é formulado levando em conta todos os acoplamentos mediados pelos operadores momentum linear e angular de spin. Mostramos que a base de oito estados vinda da diagonalização exata da matriz associada à interação spin-órbita fornece um tratamento unificado entre os sistemas hexagonal e cúbico, o que pode ser muito útil no estudo de politipismos. Através de um modelo efetivo baseado na expansão em ordens do inverso do gap de energia, determinamos a equação que descreve o comportamento de um elétron de condução em poços quânticos e em estruturas semicondutoras na fase bulk. Em particular, destacamos a presença de massas efetivas e a emergência de uma interação dependente em spin na forma do operador helicidade no plano já em primeira ordem de aproximação, algo não observado em sistemas cúbicos. A heteroestrutura é investigada no âmbito do modelo de uma e duas subbandas dos poços quânticos das junções semicondutoras. Incluindo o campo de radiação, encontramos a equação efetiva que descreve a interação elétron-fóton analisando ainda as taxas de transição óptica do sistema. Observa-se que as transições ópticas são diretamente mediadas por spin e dependem da direção de incidência do fóton seja no poço quântico ou na monoestrutura semicondutora. Uma vez que estas transições ópticas induzem a mudança na orientação do spin eletrônico, estes resultados podem ser úteis na construção de novos dispositivos optoeletrônicos tendo a wurtzita como cenário. Considerando o hamiltoniano em primeira ordem no inverso do gap de energia relativo ao modelo de uma subbanda, verificamos que a evolução temporal do operador posição do elétron de condução varia linearmente no tempo e não exibe o efeito Zitterbewegung. Associado a evolução temporal dos operadores de spin que oscilam no tempo, o movimento linear garante a formação de um campo harmônico onde os spins precessam. Como apontado no caso cúbico, a precessão do spin de elétrons injetados no poço quântico sob polarização de 45° pode levar à formação spin gratings devido ao espaçamento da ordem de alguns nanômetros destas entidades. Calculamos ainda o shift no vetor de onda de elétrons injetados no canal semicondutor do transitor Datta-Das formado por redes wurtzita.Item Ferromagnetismo no regime Hall quântico inteiro via teoria do funcional de densidade(2011-09-02) Ferreira Júnior, GersonO efeito Hall quântico surge em gases de elétrons bidimensionais (2DEG) na presença de altos campos magnéticos B. O campo magnético quantiza o movimento planar dos elétrons em órbitas ciclotrônicas caracterizadas pelos níveis de Landau. Neste regime a resistividade transversal (ou Hall) ρxy em função de B exibe platôs em submúltiplos inteiros de e2/h, i.e., ρxy = ν-1 e2/h, sendo ν o fator de preenchimento dos níveis de Landau. Por sua vez, a resistividade longitudinal ρxx apresenta picos nas transições entre platôs de ρxy. Em primeira instância, ρxx é uma medida indireta da densidade de estados no nível de Fermi g(εF), e os picos dos mesmos indicam cruzamentos do nível de Fermi εF com niveis de Landau. Assim, o diagrama de densidade de elétrons n2D e B dos picos de ρxx ~ g(εF) fornece um mapa topológico da estrutura eletrônica do sistema. Em sistemas de duas subbandas, ρxx(n2D, B) exibe estruturas em forma de anel devido a cruzamentos de níveis de Landau de subbandas distintas [experimentos do grupo do Prof. Jiang (UCLA)]. Estes cruzamentos podem ainda levar a instabilidades ferromagnéticas. Investigamos estas instabilidades usando a teoria do funcional da densidade (DFT) para o cálculo da estrutura eletrônica, e o modelo de Ando (formalismo de Kubo) para o cálculo de ρxx e ρxy. Para temperaturas mais altas (340 mK) obtemos as estruturas em forma de anel em ρxx. Para temperaturas mais baixas (70 mK), observamos uma quebra dos anéis devido a transições de fase ferromagnéticas. Variando-se o ângulo θ de B com relação ao 2DEG observa-se o encolhimento do anel. Nossos resultados mostram que o ângulo de colapso total do anel depende de uma competição entre o termo de troca da interação de Coulomb (princípio de Pauli) e cruzamentos evitados devido ao ângulo θ finito. As transições de fase exibem ainda o fenômeno de histerese. Na região de instabilidade ferromagnética obtemos diferentes soluções variando B de forma crescente ou decrescente. Estas soluções possuem energias total diferentes, de forma que representam estados fundamental e excitado de muitos corpos. Esta observação, juntamente com resultados anteriores do grupo [Freire & Egues (2007)], representam as primeiras realizações teóricas da previsão da possibilidade de estados excitados como mínimos locais do funcional de energia do estado fundamental [Perdew & Levy (1985)]. O modelo aqui proposto fornece excelente acordo com os experimentos considerados. Adicionalmente, a observação sistemática e experimentalmente verificada dos estados excitados valida as previsões de Perdew & Levy. Aplicamos ainda estas mesmas ideias no cálculo da estrutura eletrônica e condutância de fios quânticos na presença de campos magnéticos, mostrando que cruzamentos de modos transversais também exibem instabilidades ferromagnéticas observadas em experimentos recentes [Dissertação de Mestrado de Filipe Sammarco, IFSC/USP], fortalecendo a validade do modelo apresentado nesta tese.Item Transições ópticas em heteroestruturas semicondutoras Zincblende com duas sub-bandas(2011-04-29) Mosqueiro, Thiago SchiavoApresento neste trabalho uma derivação alternativa da hamiltoniana efetiva para um elétron na banda de condução de uma heteroestrutura semicondutora de rede Zincblende. Partindo do modelo de Kane 8 × 8 e da aproximação das funções envelope, esta hamiltoniana efetiva foi obtida com a linearização dos denominadores (dependentes das autoenergias) presentes na equação para a banda de condução, sob a hipótese de que o gap de energia seja muito maior que todas as demais diferenças de energia envolvidas (verdade para a maioria das estruturas Zincblende). A partir de um procedimento introduzido previamente1,3, desenvolvi um procedimento mais geral que implementa sistematicamente esta linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia e que corrige a normalização do spinor da banda de condução usando as bandas de valência. Este procedimento é idêntico à expansão em série de potência no inverso da velocidade da luz utilizada para se obter aproximações relativísticas da equação de Dirac. Uma vantagem deste procedimento é a arbitrariedade na forma dos potenciais, o que implica na validade da hamiltoniana resultante para poços, fios e pontos quânticos. Evidencio também as consequências de cada termo desta hamiltoniana efetiva para os autoestados eletrônicos em poços retangulares, incluindo termos independentes de spin inéditos (Darwin e interação momento linearcampo elétrico). Estes resultados estão de acordo com os estudos anteriores4. A fim de estudar transições ópticas dentro da banda de condução, mostro que o acoplamento mínimo pode ser realizado diretamente na hamiltoniana de Kane se os campos externos variam tão lentamente quanto as funções envelope. Repetindo a linearização dos denominadores de energia, derivo uma hamiltoniana efetiva para a banda de condução com acoplamentos elétron-fótons. Um destes acoplamentos, induzido exclusivamente pela banda de valência, origina transições mediadas pelo spin eletrônico. Estas transições assistidas por spin possibilitam mudanças, opticamente induzidas, na orientação do spin eletrônico, um fato que talvez possa ser útil na construção de dispositivos spintrônicos. Por fim, as taxas de transição deste acoplamento apresentam saturação e linhas de máximos e mínimos no espaço recíproco. Espero que estas acoplamentos ópticos possam auxiliar na observação dos efeitos dos acoplamentos spin-órbita intra (Rashba) e intersubbandas.Item Análise da informação do spin dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades de estruturas semicondutoras(2010-05-04) Patrocinio, Weslley SouzaO presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas.Item Magnetocondutância de fios quânticos interagentes(2010-03-19) Sammarco, FilipeA condutância de fios quânticos definidos em uma geometria de \"split gate\" varia em platôs quantizados de 2e2/h em relação à ocupação dos seus modos transversais [van Wees et al. Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988) & Wharam et al. J. Phys. C: solid state phys. 21, L209 (1988)]. Em gráficos da condutância esta ocupação é dada pelo potencial aplicado aos eletrodos que formam o fio. Em 1996 observou-se experimentalmente nestes gráficos [Thomas et al. Phys. Rev. Lett. 77, 135 (1996)] que quando apenas um modo transversal é ocupado a condutância exibe um platô anômalo adicional em 0.7X2e2/h. Desde então, a origem desta anomalia 0.7 é associada a fenômenos dependentes de spin, porém sua descrição teórica permanece como importante objeto de pesquisa. Recentemente, observou-se que na presença de altos campos magnéticos, cruzamentos de modos transversais de spins opostos também geram estruturas anômalas no gráfico da condutância [Graham etal. Phys. Rev. Lett. 91, 136404 (2003)]. Os análogos 0.7, assim chamados devido à semelhança com a anomalia 0.7, são usualmente relacionados ou como anti-crossings ou como transições de fase magnética. Motivado pela concordância quantitativa com experimentos de um trabalho anterior em magnetotransporte em 2DEGs e transições de fase de ferromagnetismo de efeito Hall quântico via teoria do funcional da densidade dependente de spin (SDFT) [Freire e Egues, Phys. Rev. Lett. 99, 026801 (2007) & Ferreira et al. Phys. Stat. Sol. (c) 3, 4364 (2006)], propomos aqui um modelo similar para estudar na magnetocondutância de fios quânticos. Utilizamos (i) a SDFT resolvendo as equações de Kohn-Sham autoconsistentemente dentro da aproximação de densidade local de spin para obter a estrutura eletrônica do fio quântico e (ii) o formalismo de Landauer-Büttiker para calcular a condutância do fio no regime de resposta linear. Em nosso modelo, a anomalia e os análogos 0.7 aparecem devido a transições ferromagnéticas que rearranjam de forma abrupta os modos transversais do fio quântico próximos ao nível de Fermi. Nossos resultados teóricos apresentam boa concordância com os dados de Graham et al.Item Transporte quântico em spintrônica: corrente e shot noise via funções de Green de não equilíbrio.(2009-04-28) Souza, Fabricio Macedo deEstudamos transporte quântico dependente de spin em sistemas de ponto e de poço quântico acoplados a contatos magnéticos. O primeiro passo do nosso estudo foi a dedução de fórmulas originais para a corrente e para o ruído em sistemas com tunelamento dependente de spin, através do formalismo de funções de Green de mão equilíbrio. As equações deduzidas reproduzem casos limites da literatura - em particular as fórmulas de Landauer-Buttiker. Posteriormente aplicamos essas fórmulas para estudar três sistemas distintos: (1) ponto quântico acoplado a contatos ferromagnéticos, (2) um ponto quântico acoplado a múltiplos terminais ferromagnéticos, e (3) um poço quântico acoplado a terminais de semicondutor magnético diluído (DMS). No sistema (1) consideramos os alinhamentos paralelo (P) e anti-paralelo (AP) entre as magnetizações dos terminais. Nesse sistema levamos em conta interação de Coulomb e espalhamento de spin no ponto quântico. Com as fórmulas para corrente e ruído deduzidas aqui, encontramos, por exemplo, que a interação de Coulomb, combinada com o magnetismo dos eletrodos, leva a um bloqueio de Coulomb dependente de spin. Esse efeito por sua vez leva a uma polarização da corrente que pode ser modulada (intensidade e sinal) através de uma tens~ao externa. Também encontramos que o espalhamento de spin leva a comportamentos contrastantes entre corrente e ruído. Enquanto a corrente na configuração AP aumenta com a taxa de espalhamento de spin R, o ruído nessa mesma configuração é suprimido para uma certa faixa de valores de R. Um outro efeito interessante que observamos foi a possibilidade de se suprimir o ruído térmico através de uma tensão de porta. Para o sistema (2) mostramos que é possível injetar corrente ↑-polarizada no ponto quântico e coletar simultaneamente correntes ↑ e ↓ polarizadas em terminais diferentes. Além disso, a corrente ao passar do reservatório emissor para um dos reservatórios coletores tem a sua polarização intensificada. Portanto esse sistema pode operar como inversor e amplificador de polarização de corrente. Por último, analisamos os efeitos de terminais DMS e quantização de Landau (na presença de um campo magnético externo) sobre a corrente e o ruído no sistema (3). Encontramos que o efeito Zeeman gigante nos terminais DMS, gerado pela interação de troca s-d, leva a uma polarização da corrente. Em particular, para uma certa faixa de tensão o efeito Zeeman gigante resulta na completa supressão de uma dada componente de spin no transporte. Com isso é possível controlar a polarização da corrente através de uma tensão externa. Também observamos oscilações na corrente, no ruído e no fator de Fano como função do campo magnético.Item Acoplamento spin-órbita inter-subbanda em heteroestruturas semicondutoras(2007-12-13) Calsaverini, Rafael Sola de Paula de AngeloNeste trabalho apresentamos a determinação autoconsistente da constante de interação spin-órbita em heteroestruturas com duas sub-bandas. Como recentemente proposto, ao obter o hamiltoneano de um sistema com duas sub-bandas na aproximação de massa efetiva, constata-se a presença de um acoplamento inter-subbanda que não se anula mesmo em heteroestruturas simétricas. Apresentamos aqui as deduções teóricas que levaram à proposição desse novo acoplamento e mostramos o cálculo autoconsistente da intensidade do acoplamento e a comparamos com a intensidade do acoplamento Rashba, já amplamente estudado. Discutimos o método k.p e a Aproximação da Função Envelope e mostramos a obtenção do modelo de Kane 8x8 para semicondutores com estrutura zincblende. Aplicamos o método do \"folding down\'\' ao hamiltoneano de Kane isolando o setor correspondente à banda de condução. Escrevemos dessa forma um hamiltoneano efetivo para a banda de condução no contexto de um poço quântico com uma barreira. Através da projeção desse hamiltoneano nos dois primeiros estados da parte orbital verifica-se o surgimento de um acoplamento inter-subbanda. Finalmente escrevemos o hamiltoneano efetivo 4x4 que descreve as duas primeiras subbandas de um poço quântico e obtivemos seus autoestados e autoenergias. Finalmente fizemos o cálculo autoconsistente das funções de onda e energias de um gás de elétrons em poços quânticos simples e duplos através da aproximação de Hartree e a partir desses resultados determinamos o valor da constante de acoplamento Rashba e da nova constante inter-subbanda. Entre os resultados obtidos destacam-se o controle elétrico da constante de acoplamento inter-subbanda através de um eletrodo externo e um efeito de renormalização da massa efetiva que pode chegar até 5% em algumas estruturas.