Jak spin-polarizacja wpływa na efektywność urządzeń półprzewodnikowych w strukturach z tunelowaniem rezonansowym?

W strukturach z tunelowaniem rezonansowym (RTD) wykonanych z materiałów półprzewodnikowych o rozcieńczonym magnetyzmie, takich jak Zn₁₋ₓMnₓSe, spin-polarizacja odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu transportu ładunków. Układ, w którym stosuje się magnesy wzdłuż kierunku z, tworzy potencjalną barierę, w której rozdzielają się poziomy energetyczne elektronów o różnych spinach. W obecności pola magnetycznego o natężeniu B = 2,5 T, energia rozszczepienia poziomów spinowych wynosi około 20 meV. To rozdzielenie prowadzi do selektywnego tunelowania tylko elektronów o jednym rodzaju spinów, co skutkuje wyraźną polaryzacją spinową w obszarze kolekcji elektronów.

Dzięki zastosowaniu diody LED Al₀,₀₇Ga₀,₉₃As/GaAs, która jest umieszczona bezpośrednio na dole diody RTD, możliwe jest bezpośrednie wykrywanie stopnia polaryzacji spinowej (SP) prądu tunelowego. W tej konfiguracji elektrony spin-down w obrębie studni potencjału przechodzą do regionu kolektora, gdzie łączą się z dziurami, emitując światło, którego stopień polaryzacji może zostać zmierzony. Wskaźnik polaryzacji optycznej światła luminescencyjnego LED umożliwia dokładne obliczenie stopnia SP prądu, co z kolei umożliwia ocenę efektywności spinowej w układzie.

W wyniku eksperymentów z użyciem napięcia stałego o wartości 1,9 V, przeprowadzonych na strukturze AlGaAs/GaAs LED, stwierdzono, że stopień polaryzacji spinowej (SP) wzrasta w miarę zwiększania pola magnetycznego, aż osiągnie wartość nasycenia 80% dla pól powyżej 2–3 T. Jest to zgodne z oczekiwaniami wynikającymi z efektu Zeemana. Dodatkowo, struktury bez magnetyzmu wykazywały polaryzację spinową na poziomie poniżej 15%, co potwierdza rolę magnetycznych właściwości materiału w procesie spinowego wstrzykiwania.

Pomiar zależności SP od napięcia w polu magnetycznym 2,5 T pokazuje zmiany stopnia polaryzacji w obszarze rezonansu. Wartość SP maleje przy przesunięciu napięcia, co tłumaczy się przesunięciem poziomu spin-down w obrębie studni potencjału. W tym przypadku, mimo zmieniającego się napięcia, nie zaobserwowano odwrócenia orientacji spinów, ponieważ czas tranzytu w obecnej strukturze RTD jest znacznie wyższy niż czas relaksacji spinów w rozcieńczonych półprzewodnikach magnetycznych.

Rozważając wszystkie aspekty, ważne jest, by zrozumieć, że obecność pola magnetycznego w strukturze RTD jest kluczowa dla wytworzenia spin-polarizowanego prądu. W szczególności, rozszczepienie poziomów Zeemana powoduje selektywne tunelowanie tylko jednej orientacji spinów, co ma bezpośredni wpływ na wydajność urządzeń opartych na spintronice. Ponadto, stopień polaryzacji może być kontrolowany nie tylko przez zmiany pola magnetycznego, ale także przez napięcie przyłożone do struktury, co daje możliwość precyzyjnego sterowania transportem spinów w tych zaawansowanych urządzeniach.

Jak zastosować formułę Büttikera w przypadku wielomodalnych i trójprobowych układów?

Formuła Büttikera jest jednym z fundamentów w badaniach transportu mezoskalowego, pozwalającym na opis zależności prądów i napięć w układach o wielu elektrodach. Podstawowym założeniem tej formuły jest zachowanie zasady zachowania ładunku oraz inwariancji czasowej w obecności strumienia magnetycznego. Wyrażenia dotyczące prawdopodobieństw transmisji i odbicia między różnymi elektrodami w układzie są symetryczne względem zmiany strumienia, co ma kluczowe znaczenie w analizie odporności układów z wieloma elektrodami.

Jeśli weźmiemy pod uwagę układ, w którym prąd wprowadzany jest do elektrody 1, a wychodzi z elektrody 3, natomiast prąd wprowadzany do elektrody 2 wychodzi z elektrody 4, to równania dla takich układów mogą być zapisane za pomocą formuły Büttikera w postaci macierzy. Równania te pozwalają na wyrażenie prądów I1 i I2 jako funkcji różnic napięć $V_i = \mu_i/e$, które zależą od przewodności elementów układu, takich jak $\alpha_{11}$, $\alpha_{12}$, $\alpha_{21}$ oraz $\alpha_{22}$, wyznaczanych przez odpowiednie prawdopodobieństwa odbicia i transmisji.

Analizując więcej niż dwa przewody, należy zwrócić uwagę na istotną zależność między różnymi elementami macierzy przewodności, które w dużym stopniu zależą od parametrów takich jak prawdopodobieństwa odbicia i transmisji. W układzie trójprobowym, gdzie jedna elektroda pełni rolę mierniczą, wprowadzenie prądu do elektrod 1 i 2 pozwala na zmierzenie odporności pomiędzy różnymi parami elektrod. W tym przypadku prąd I1 i napięcie V1 zależą od współczynników transmisji, które są różne w zależności od konfiguracji strumienia magnetycznego.

W przypadku trójprobowych układów pojawia się również istotna kwestia związana z symetrią rezystancji. Choć rezystancje dla różnych par elektrod mogą wykazywać asymetrię względem zmiany strumienia, całkowita rezystancja w układzie dwupunktowym jest symetryczna względem zmiany strumienia. To stwierdzenie pozwala na lepsze zrozumienie, jak wprowadzenie dodatkowych elektrod wpływa na przewodnictwo układu. Ważne jest, że zwiększenie liczby elektrod nie zmienia symetrii przewodności dwupunktowej układu, mimo że pojedyncze rezystancje mogą wykazywać asymetrię lub symetrię w zależności od kierunku strumienia.

Rozważając przypadki z więcej niż jedną parą elektrod, formuła Büttikera może być zastosowana do analizy przewodnictwa w układach, w których strumień magnetyczny i rozmieszczenie elektrod odgrywają kluczową rolę. W szczególności analiza odporności w takich układach dostarcza cennych informacji o właściwościach transportowych materiałów w obecności wielkich pól magnetycznych i w kontekście różnych geometrii układów.

Endtext