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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.76.2007.tde-05122007-160519
Document
Author
Full name
Rafael Sola de Paula de Angelo Calsaverini
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2007
Supervisor
Committee
Menezes, José Carlos Egues de (President)
Poussep, Iouri
Scolfaro, Luisa Maria Ribeiro
Title in Portuguese
Acoplamento spin-órbita inter-subbanda em heteroestruturas semicondutoras
Keywords in Portuguese
Acoplamento inter-subbanda
Acoplamento spin-órbita
Spintrônica
Abstract in Portuguese
Neste 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.
Title in English
Inter-subband spin-orbit coupling in semiconductor heterostructures
Keywords in English
Inter-subband coupling
Spin-orbit coupling
Spintronics
Abstract in English
In this work we present the self-consistent determination of the spin-orbit coupling constant in heterostructure with two subbands.As recently proposed, the effective hamiltonian for the conduction band in the effective mass approximation contains an inter-subband spin-orbit coupling which is non-zero even for symmetric heterostructures. We present the theoretical derivation which leads to this proposal and show a selfconsistent determination of the coupling constant. We also compare the magnitude of the new coupling constant with the usual Rashba coupling. Starting with a discussion of the k.p method and the Envelope Function Approximation (EFA) we show the derivation of the 8x8 Kane model for semiconductors with zincblende structure. We then apply the "folding down'' method, isolating the conduction band sector of the EFA hamiltonian. By projecting this hamiltonian in the first two states of the orbital part, we find an effective 4x4 hamiltonian that contains an inter-subband spin orbit coupling. The eingenvalues and eigenvectors of this hamiltonian are shown and, specializing the model for single and double quantum wells, we self-consistently determine the inter-subband and Rashba coupling constants in the Hartree approximation. The results indicate the possibility of electrical control of the coupling constant and show an effective mass renormalization effect that can be up to 5% in some cases.
 
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main.pdf (7.76 Mbytes)
Publishing Date
2007-12-13
 
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