Hur påverkar resonant tunneling magnetoresistans i tunna magnetiska halvledare?

Resonant tunneling är ett fenomen som inträffar när elektroner eller hål genomtränger ett potentialbarriär där deras energi är nära resonans med en tillstånds nivå i materialet, vilket leder till en hög sannolikhet för överföring. I system där både tunga och lätta hål förekommer, innebär det att det sker ett starkt blandande mellan de olika tillstånden. Ett intressant fenomen som kan observeras är att vissa toppar i överföringssannolikheten endast förekommer i vissa typer av hål. Till exempel, i resonanstunnelingdiagrammet för olika håltyper (t.ex. hh för tunga hål och lh för lätta hål), kan en topp dyka upp i ett av håltyperna och inte i det andra. Detta tyder på att den specifika topptillståndet är relaterat till resonans för de tunga hålen.

När magnetiska joner, som till exempel Mn²⁺, tillsätts till en halvledare, skapas en effekt som kallas den "gigantiska Zeeman-splittringen". Denna energiuppdelning är stor nog att påverka elektronernas energinivåer kraftigt. Enligt den kvantmekaniska beskrivningen av halvledarmaterial med magnetiska joner, såsom de som finns i spåriga halvledare, kommer de olika spin-orienteringarna hos elektroner att påverkas av denna splittring. För att beskriva denna effekt används en formel för att beräkna det magnetiska momentet och energinivåerna för dessa system.

En särskild egenskap i dessa system är att spinnpolariserade elektronströmmar kan uppstå när det finns ett magnetfält, vilket kan påverka strömflödet genom de tunnelingbarriärer som skapas av de magnetiska halvledarna. Magnetoresistansen, som är förändringen i resistansen i ett material när ett magnetfält appliceras, kan således visa intressanta oscillerande beteenden. Dessa oscillerande effekter beror på hur Landau-nivåerna för elektronerna rör sig i förhållande till Fermi-nivån och påverkas av både det magnetiska fältet och barriärens tjocklek.

Tunneling magnetoresistans (TMR) är ett fenomen där förändringen i resistans vid olika magnetfält beror på förändringar i elektronens spinnpolarisation och tunnelingförmåga. När tunneling sker genom en struktur som innehåller både icke-magnetiska och magnetiska halvledare, kan spinnpolarisationen förändras beroende på barriärens tjocklek och styrkan hos det applicerade magnetfältet. Detta påverkar både storleken och riktningen av strömmen genom materialet, vilket kan utnyttjas i framtida spintronic-applikationer där man kontrollerar elektronernas spinstillstånd för att reglera strömflöde och magnetiska egenskaper.

I experiment där man använder tunneling genom DMS-strukturer, som exempelvis ZnSe/Zn₁₋ₓMnₓSe-barriärer, har det observerats att det finns ett tydligt beroende av magnetfältet på TMR och spinnpolarisationen. När barriärens tjocklek ökar, minskar oscillationerna i TMR och SP. Dessa förändringar förklaras av att spinn-polariserade strömmar uppstår på grund av de olika potentialbarriärerna som påverkar spin-upp och spin-ner elektroner på olika sätt.

Tunneling och magnetoresistans är också starkt beroende av både materialets sammansättning och magnetiska egenskaper. Vid högre fältstyrkor kan det uppstå oscillerande beteenden liknande Shubnikov-de Haas-oscillationer, som orsakas av att Landau-nivåerna sveper över Fermi-nivån. Denna typ av magnetoresistans är av särskilt intresse för utvecklingen av högpresterande magnetiska sensorer och andra spintroniska enheter, där man försöker optimera elektronernas spin-beteende för att uppnå önskade funktioner.

I mer avancerade system, som dubbelbarriärstrukturer med DMS-kontakter, har fenomen som spinup och spindown-komponenter i strömflödet observerats att skapa unika beteenden. Dessa system visar också på ett slags "beat pattern" i magnetoresistansen, vilket beror på interaktionen mellan spinup- och spindownkanalerna. För att förstå dessa effekter krävs en noggrann analys av både magnetiska fält och barriärtjocklekar, och hur dessa påverkar tunnelingprocessen.

Det är också viktigt att förstå hur dessa material kan användas för att förbättra och utveckla nya teknologier inom spintronics, där kontroll över elektronernas spinstillstånd kan leda till effektivare lagring, kommunikation och sensorteknologier. Detta gör det möjligt att manipulera elektroniska system på en mycket finare skala än traditionella halvledarteknologier, och öppnar upp för nya möjligheter i både forskning och tillämpning.

Hur fungerar resonanstunnelning i utspädda magnetiska halvledare och hur uppnås högspinnpolariserad ström?

I en dubbelbarriär resonanstunnelningsdiode (RTD) med en semimagnetisk mittlager, såsom Zn₁₋ₓMnₓSe, uppstår ett unikt fenomen tack vare den gigantiska Zeeman-splittningen när en magnetfält appliceras vinkelrätt mot tunnlingsriktningen. Detta magnetfält delar energinivåerna för spin-up- och spin-down-elektroner i den magnetiska kvantbrunnen, där energispridningen kan nå cirka 20 meV vid ett fält på 2,5 Tesla. Om dioden drivs med en spänning som justerar Fermi-energianivån i injektionsregionen till att sammanfalla med spin-down-nivån i brunnen, tillåts endast dessa spin-down-elektroner att tunnla genom barriärerna. Spin-up-elektroner, däremot, blockeras effektivt, vilket resulterar i en ström med nära fullständig spinnpolarisation, där spinnpolariseringsgraden (SP) kan närma sig ±1.

För att mäta denna spinnpolarisation har man växt en III-V Al₀.₀₇Ga₀.₉₃As/GaAs LED direkt på botten av RTD:n. Den spinnpolariserade tunnlingsströmmen injiceras i LED:ens kvantbrunn, där spinnpolariserade elektroner rekombinerar med hål. Genom att analysera den cirkulära polarisationen hos den utsända ljusstrålningen kan man indirekt bestämma SP-graden i strömmen. Sambandet mellan den optiska polarisationen och spinnpolarisationen i strömmen visar att strömmens SP är dubbelt så stor som LED-ljusets cirkulära polarisation.

Experimentella resultat visar att SP-graden ökar med det applicerade magnetfältet och når en mättnad kring 80 % för fält starkare än 2–3 Tesla, vilket korrelerar väl med mättnaden av den gigantiska Zeeman-splittningen i utspädda magnetiska halvledare. I jämförelse uppvisar liknande strukturer utan magnetiska egenskaper endast låg spinnpolarisation, under 15 %, vilket bekräftar att den magnetiska RT-strukturen är avgörande för spinningången.

Teoretiska studier bekräftar att vid mycket låga temperaturer (nära 0 K) och ett magnetfält på 2,5 T, kan tunnlingsströmmen nästan helt bestå av en enda spinnorientering när Fermi-nivån är nära den första kvasi-konfinerade tillståndet i kvantbrunnen. Med ökande spänning ökar strömmen av motstående spinnorientering, vilket gradvis minskar spinnpolarisationen. Teorin förutspår till och med en inversion av spinnpolarisationen vid tillräckligt höga spänningar, men detta har inte bekräftats experimentellt, troligen på grund av de korta spinnrelaxationstiderna i praktiken.

De fysikaliska mekanismer som styr resonanstunnelning i sådana strukturer är komplexa och involverar kvantmekaniska effekter, magnetiskt styrda energinivåer och spinnrelaxationsdynamik. För att fullständigt förstå och optimera spinnpolariserade strömmar i RTD:er med utspädda magnetiska halvledare är det avgörande att även ta hänsyn till materialets elektronmassa, barriärernas höjd och bredd, samt injektionsregionens elektrondensitet, vilka alla påverkar tunnlingsbetingelserna.

Det är även viktigt att förstå begränsningarna som spinnrelaxation sätter på den praktiska användningen av sådana RTD-strukturer inom spinntronik. Utvecklingen av material och strukturer med längre spinnrelaxationstider och snabbare transit kan möjliggöra effektivare kontroll över spinnpolarisationen och därmed förbättra prestandan hos framtida spinnbaserade elektroniska komponenter. Förståelsen av interaktionen mellan elektrisk styrning, magnetfält och kvantmekaniska tunnlingseffekter är avgörande för att designa nästa generations spintroniska enheter.

Hur Bloch-oscillationer och hoppledande effekter påverkar supergitterstrukturen i halvledarmaterial

I supergitterstrukturer, där periodiska potentialer skapas genom att kombinera olika halvledarmaterial, förekommer unika elektriska fenomen som kan användas för att skapa avancerade elektroniska enheter. En av de mest fascinerande effekterna i dessa strukturer är Bloch-oscillationer, som uppstår när elektroner, under påverkan av ett yttre elektriskt fält, rör sig i en cyklisk bana. Dessa oscillationer ger upphov till specifika resonansfenomen i strömmar och spänningskurvor.

Vid närvaro av ett växelspänningsfält kan ström-resistanskurvor uppvisa flera toppar, där den första toppens frekvens är ett resultat av resonans mellan den externa lasern och Bloch-frekvensen, ωB = ω, och de följande topparna motsvarar högre resonanser, ωB = nω. För att beskriva denna dynamik använder vi en förenklad approximation av relaxationstiden, som gör det möjligt att beräkna strömdensiteten i närvaro av ett växelspänningsfält. I formeln för k (jämförelsevis med ekvation 4.19) kan vi skriva det elektriska fältet som:
$k = k_0 + eF_0t + eF_1 \sin(\omega t).$

För att få en bättre förståelse för dessa fenomen används förenklade balans ekvationer. De gör det möjligt att studera supergitterstrukturen under både konstant och växelström. Balans ekvationen för elektrisk ström i systemet kan skrivas som:
$\frac{d\mathbf{v}_d}{dt} = \mathbf{eF(t)} - \mathbf{v}_d,$

För att kvantifiera dessa fenomen och deras påverkan på ström-resistanskurvor är det användbart att modellera elektronernas energi- och rörelsemängdsmomentrelaxationstider. Detta gör det möjligt att förutsäga topparnas placeringar i I-V kurvor och förklara hur intensiteten av dessa toppar förändras beroende på parametrar som det externa lasernas frekvens och styrka.

För att beskriva hoppledningen mellan dessa tillstånd används en förenklad modell där de elektroniska tillstånden representeras av ett effektivt massahamiltonian. När dessa tillstånd är lokaliserade, sker elektronspridningen främst genom hopp mellan närliggande kvantbrunnar. Denna process, som ofta kräver hjälp av fononinteraktioner, innebär att den elektriska ledningsförmågan i systemet minskar och att hoppledningen blir dominerande vid starka elektriska fält.

Det är också viktigt att förstå att de experimentella resultaten för dessa system ofta visar starka harmoniska svängningar i svaren, som relaterar till den inkommande strålens intensitet. I experiment på GaAs/AlGaAs supergitter har exempelvis en stark tredje harmonisk våg observerats vid en frekvens av 600 GHz när en mikrovågsstråle med hög intensitet applicerades. Denna observation bekräftar att det är möjligt att excitera högre harmoniska svängningar genom att justera det externa fältet, vilket ger en möjlighet att effektivt manipulera elektronens rörelse och därmed strömflödet i supergitterstrukturer.

Därför, för att få en djupare förståelse av de dynamiska fenomen som påverkar transporten i supergitterstrukturer, är det avgörande att beakta både elektronens driftbeteende under olika elektriska fält och de mekanismer som styr deras spridning och hoppledande egenskaper mellan Wannier-Stark tillstånd. Därtill måste också de experimentella observationerna beaktas, särskilt de som relaterar till resonansfenomen och effekter av terahertz-lasers.

Hur påverkar Rashba-effekten spinpolarisering i kvantringar?

Spinpolarisationen av elektroner i kvantringar med Rashba-effekt är en viktig aspekt inom modern fysik och nanoteknologi. Vid undersökning av elektronernas spintransport är det nödvändigt att beakta hur olika faktorer som strukturell geometri, Rashba-spin-orbit-interaktion (RSOI), och externa magnetfält påverkar elektronernas spinpolarisering och deras transportegenskaper.

För att beskriva elektronens tillstånd i en kvantring kan vi använda ett system av wavefunktioner för att representera olika delar av strukturen. I ett fyrkantigt ringsystem där elektroner rör sig både medurs och moturs, beskriver varje arm av ringen olika koefficienter som kan användas för att lösa problem rörande spintransport. Via metoden med överföringsmatriser kan vi bestämma tillståndet för varje elektronarm om vi känner till värdet på en viss punkt i strukturen. Här spelar boundary-villkor, som Griffiths villkor, en avgörande roll för att lösa de okända koefficienterna.

Det är av intresse att studera hur Q förändras genom en struktur, då Q är direkt relaterat till spinpolarisationen av en utgående elektron. Om Q är mindre än ett visst värde, Q_fix, kommer det att resultera i en minskad spinpolarisation genom strukturen, medan om Q är större än detta värde, ökar spinpolarisationen. För en icke-polariserad elektron är det också möjligt att definiera ett spinpolariseringstal för den utgående elektronen.

När vi undersöker spintransport i kvantringar – både fyrkantiga och cirkulära – under påverkan av ett magnetfält, finner vi att det uppstår en oscillerande effekt i transmissionskoefficienterna för elektronerna. Denna oscillation är ett bevis på Aharonov-Bohm-effekten, där elektronernas transmission beror på den magnetiska flödesen genom ringen. Vid närvaro av både Rashba-spin-orbit-interaktion och ett vinkelrätt magnetfält kan dessa system fungera som spinpolarisatorer, vilket innebär att de selektivt kan modulera elektronernas spin.

I ett fyrkantigt system, som den AB-fyrkantiga ringen, har vi sett att spinpolarisationen, P, är mer stabil än i den cirkulära ringen. Detta beror på den geometriska skillnaden mellan strukturerna, där den fyrkantiga ringen ger en bredare variation i spinpolariseringen över ett större område. Detta innebär att fyrkantiga system är mer robusta som spinpolarisatorer jämfört med cirkulära system.

En annan viktig aspekt är påverkan av Rashba-spin-orbit-interaktionen. För såväl fyrkantiga som cirkulära system ser vi att denna effekt gör att transmissionskoefficienterna oscillerar i relation till den styrka av Rashba-interaktionen. I praktiken innebär detta att cirkulära system tenderar att vara mer känsliga för förändringar i Rashba-styrkan, vilket resulterar i mindre stabila spinpolarisationseffekter i dessa strukturer.

Genom att förstå dessa fenomen får vi en djupare inblick i hur kvantringar kan användas för att styra spintransport och modulera elektronernas spinpolarisation. Dessa insikter är avgörande för utvecklingen av framtida kvantteknologier där kontrollen av spin och transport är centrala för applikationer inom kvantdatabehandling och spintronik.