Jak tunelowanie rezonansowe w rozcieńczonych półprzewodnikach magnetycznych wpływa na przewodność spinową?

Tunelowanie rezonansowe (RT) w półprzewodnikach magnetycznych jest zjawiskiem, które zdobyło znaczną uwagę w kontekście fizyki ciał stałych, szczególnie w odniesieniu do rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych (DMSs). W tych materiałach, z dodatkiem jonów magnetycznych, takich jak Mn²⁺, zachodzi zjawisko tzw. gigantycznego rozszczepienia Zeemana, które ma znaczący wpływ na elektroniczną strukturę energetyczną i przewodność. Gdy jony magnetyczne są wprowadzone do półprzewodnika, w obecności pola magnetycznego poziomy energetyczne dla różnych orientacji spinów rozszczepiają się, co prowadzi do powstania dużych różnic energii, które są nazywane gigantycznym rozszczepieniem Zeemana.

Zjawisko to ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia przewodzenia elektrycznego w materiałach, w których spin elektronów jest powiązany z ich ruchem. W przypadku takich materiałów, jak Zn₁₋ₓMnₓSe, rozszczepienie Zeemana może wynosić od kilku do kilkudziesięciu milielektronowoltów, zależnie od stężenia jonów magnetycznych i intensywności pola magnetycznego. W wyniku tego rozszczepienia, elektrony o różnych orientacjach spinowych doświadczają różnych efektów, co wpływa na przewodność.

Magnetorezystancja tunelowa (TMR) jest zjawiskiem polegającym na zmianie oporu elektrycznego w odpowiedzi na pole magnetyczne. W przypadku DMS, TMR wykazuje oscylacje zależne od pola magnetycznego, co jest wynikiem interakcji między spinami elektronów a pola magnetycznego. Ponadto, warto zwrócić uwagę na to, jak grubość bariery DMS wpływa na te oscylacje: im grubsza bariera, tym oscylacje TMR stają się mniej wyraźne. Zjawisko to jest wynikiem zmieniającego się wpływu pola magnetycznego na spinową komponentę przewodności. Ponadto, spinowa polaryzacja prądu zmienia się wraz z polem magnetycznym, co prowadzi do coraz bardziej wyraźnych oscylacji spinowych w przewodnictwie.

Znaczną rolę w tym zjawisku odgrywa także zjawisko tzw. "beatów" w oscylacjach TMR, które są wynikiem przejścia poziomów Landaua przez powierzchnię Fermiego w wyniku zmiany pola magnetycznego. Zjawisko to jest bezpośrednio związane z naturą interakcji s–p w spinowym rozszczepieniu. W efekcie, w strukturach DMS o podwójnych barierach, mogą wystąpić oscylacje TMR oraz zmiany w polaryzacji spinowej, które można powiązać z wprowadzeniem dużego rozszczepienia Zeemana i jego wpływu na elektrony o różnych orientacjach spinowych.

Dodatkowo, w strukturach takich jak BeTe/Zn₁₋ₓMnₓSe/BeTe, eksperymentalnie zaobserwowano bardzo wysoką polaryzację spinową w prądzie tunelującym, osiągającą wartości rzędu 80%, co stanowi przykład zastosowań praktycznych w elektronice spinowej. Tego typu struktury mogą mieć istotne znaczenie w rozwoju nowych technologii, takich jak spintronika, gdzie wykorzystuje się nie tylko ładunek, ale także spin elektronów do przetwarzania i przechowywania informacji.

Jak kształt strefy przenikalności zależy od struktury i współczynnika Rashby?

Analizując transmisję elektronów Rashby w dwuwymiarowych falowodach kwantowych, kluczową rolę odgrywają parametry takie jak współczynnik Rashby (α) oraz geometria strefy, która wpływa na transmisję i polaryzację spinową. W strukturach z kwadratowymi wypustkami, dla których energia k0n w równaniu 15.2 wynosi 1, możemy przyjąć, że w przypadku całkowicie zamkniętych wypustek, te punkty odpowiadają energiom własnym. Ta zasada dotyczy również wypustek trójkątnych. Przykładowo, dla zakresu 2 < keff < 3, widzimy różnorodne prawdopodobieństwa transmisji, zależne od energii elektronów, które są przedstawione na rysunku 15.3. Istnieją dwa tryby elektronów padających – jeden z pierwszej podprzepustowej, drugi z drugiej. W zależności od tych trybów, istnieje również czterokrotny rozkład prawdopodobieństwa transmisji Tij (i, j = 1 lub 2), gdzie i i j oznaczają różne tryby spinowe elektronów. Na podstawie tego wykresu zauważamy, że prawdopodobieństwa transmisji T11 i T21 są większe, podczas gdy T12 i T21 są mniejsze, ale nie wynoszą zero. Oznacza to, że w procesie transportu między różnymi trybami istnieje pewne sprzężenie.

Kolejnym istotnym aspektem jest wpływ szerokości wypustek na transmisję. Wykresy 15.5 i 15.6 ilustrują, jak prawdopodobieństwo transmisji zmienia się w zależności od szerokości wypustek Wstub, przy różnych wartościach α i energiach elektronów. Zauważono, że dla różnych wartości α pozycje minimów transmisji przesuwają się, co oznacza, że zmieniając szerokość wypustek, możemy kontrolować transmisję elektronów. Dodatkowo, większy współczynnik Rashby α prowadzi do zmniejszenia szerokości minimów transmisji. Zatem zmieniając pole elektryczne prostopadłe do 2DEG, można precyzyjnie dostosować transmisję.

Jeśli zwiększymy liczbę wypustek, jak w przypadku struktury z trzema wypustkami, jak pokazano na rysunku 15.7, zauważymy, że głębokości minimów transmisji stają się mniejsze. Jednakże, ogólny trend wykresów sugeruje, że w większości zakresu szerokości wypustek transmisja będzie wynosiła blisko 1, a następnie szybko spadnie do zera w bardzo wąskim zakresie. W tych obszarach, w których T ≈ 0, możliwe jest całkowite zablokowanie elektronów. W przypadku zastosowania trójkątnych wypustek (rysunek 15.8), zależność minimów transmisji od szerokości Wstub wykazuje specyficzne zmiany w porównaniu do wypustek kwadratowych, co świadczy o tym, że kształt struktury ma kluczowy wpływ na efektywność kontrolowania transmisji.

Warto zauważyć, że odpowiednia regulacja parametrów strukturalnych i elektrycznych pozwala na precyzyjne sterowanie transmisją elektronów w tych systemach, co może mieć istotne zastosowanie w przyszłych urządzeniach kwantowych oraz w technologii spintroniki. Kontrola ta, oparta na modyfikacji geometrii falowodów, może prowadzić do zaawansowanych systemów, w których transport elektronów będzie możliwy tylko w ściśle określonych warunkach, co jest podstawą wielu innowacyjnych technologii.