Elektrik dipol spin rezonansı - Electric dipole spin resonance

Elektrik dipol spin rezonansı ( EDSR ), spin-yörünge etkileşimi gibi kuantum mekaniksel etkileri kullanarak bir malzeme içindeki manyetik momentleri kontrol etmek için bir yöntemdir . Esas olarak, EDSR , rezonans frekanslarında elektromanyetik radyasyon kullanımı yoluyla manyetik momentlerin yönünü değiştirmeye izin verir . EDSR ilk olarak Emmanuel Rashba tarafından önerildi .

Bilgisayar donanımı kullanır elektron yükü de transistörlerin süreç bilgi ve elektron manyetik an veya dönüş için manyetik depolama cihazlarının. Spintronics'in ortaya çıkan alanı , bu alt sistemlerin operasyonlarını birleştirmeyi amaçlar. Bu amaca ulaşmak için elektron dönüşü elektrik alanları tarafından çalıştırılmalıdır. EDSR, hem şarjı hem de dönüşü manipüle etmek için AC alanlarının elektrik bileşenini kullanmaya izin verir .

Giriş

Serbest elektronlar , mutlak değeri yaklaşık bir Bohr magneton olan elektrik yüküne ve manyetik momente sahiptir .

Elektron paramanyetik rezonansı (EPR) olarak da bilinen standart elektron spin rezonansı , Larmor presesyonunu tanımlayan Hamiltonian aracılığıyla elektron manyetik momentinin harici manyetik alana bağlanmasından kaynaklanmaktadır . Manyetik momenti elektron ilgilidir açısal momentum olarak , bir G-faktörü ve düşük bir Planck sabiti . Vakumda serbest elektron için . Elektron bir spin-½ parçacığı olduğundan, spin operatörü sadece iki değer alabilir: . Böylece, Larmor etkileşimi, enerjiye eşit olduğu için zamandan bağımsız bir manyetik alanda enerji seviyelerini nicelleştirmiştir . Aynı şekilde, frekansta bir rezonans AC manyetik alan altında, elektron paramanyetik rezonansı ile sonuçlanır, yani sinyal, dönüş değerleri arasında geçişler ürettiği için bu frekansta güçlü bir şekilde emilir.

Elektron spininin atomlardaki elektrik alanlarına bağlanması

Atomu ise, yörünge ve spin dinamiği elektron elektrik alanına bağlandığı proton içinde atom çekirdeğinin göre Dirac denkleminin . Statik bir elektrik alanında hareket eden bir elektron , özel göreliliğin Lorentz dönüşümlerine göre , elektron referans çerçevesinde tamamlayıcı bir manyetik alan görür . Ancak yavaş elektronlar için bu alan zayıftır ve etkisi küçüktür. Bu eşleşme, spin-yörünge etkileşimi olarak bilinir ve atomik enerjilere , ince yapı sabitinin karesinin mertebesi hakkında düzeltmeler verir , burada . Bununla birlikte, sabit atom numarası ile kombinasyon halinde görünür olduğu gibi , ve bu ürün daha önce ortasında birlik mertebesinde, büyük atomlar için büyük olan periyodik tablonun . Devasa atomlardaki yörünge ve dönüş dinamikleri arasındaki bağlantının bu artışı, çekirdeğe olan güçlü çekimden ve büyük elektron hızlarından kaynaklanır. Bu mekanizmanın aynı zamanda elektron spinini elektromanyetik alanların elektrik bileşenine bağlaması beklenirken, böyle bir etki muhtemelen atomik spektroskopide hiç gözlemlenmemiştir .

Kristallerdeki temel mekanizmalar

En önemlisi, atomlardaki spin-yörünge etkileşimi , kristallerde spin-yörünge eşleşmesine dönüşür . Enerji spektrumlarının bant yapısının önemli bir parçası haline gelir . Bantların spin-yörünge bölünmesinin yasak boşluğa oranı, spin-yörünge eşleşmesinin etkisini değerlendiren bir parametre haline gelir ve ağır iyonlu veya spesifik asimetrili malzemeler için genel olarak birlik mertebesinde geliştirilmiştir .

Sonuç olarak, katılardaki yavaş elektronlar bile güçlü spin-yörünge eşleşmesi yaşar. Bu, bir kristaldeki bir elektronun Hamiltoniyeninin, elektron kristal momentumu ile elektron dönüşü arasında bir bağlantı içerdiği anlamına gelir . Dış elektrik alanına bağlantı, kinetik enerjideki momentumun , elektromanyetizmanın gösterge değişmezliği tarafından gerekli olduğu gibi , manyetik vektör potansiyeli nerede olduğu gibi ikame edilmesiyle bulunabilir . Yer değiştirme, Peierls ikamesi olarak bilinir . Böylece, elektrik alanı elektron dönüşüne bağlanır ve bunun manipülasyonu, dönüş değerleri arasında geçişler üretebilir.

teori

Elektrik dipol spin rezonansı, rezonanslı bir AC elektrik alanı tarafından tahrik edilen elektron spin rezonansıdır . Bohr magnetonuna giren ve elektron spininin AC manyetik alana bağlanmasını kontrol eden Compton uzunluğu , katı hal fiziğinin tüm karakteristik uzunluklarından çok daha kısa olduğundan , EDSR, bir AC manyetik alan tarafından sürülen EPR'den kat kat daha güçlü olabilir. . EDSR, enerji spektrumunun iki katlı dejenerasyonunun kaldırıldığı ve zaman simetrik Hamiltoniyenlerin, spin ile ilgili Pauli matrislerinin ürünlerini , as , ve kristal momentumunun tek güçlerini içerdiği, tersine çevirme merkezi olmayan malzemelerde genellikle en güçlüsüdür . Bu gibi durumlarda elektron dönüşü, elektromanyetik alanın vektör potansiyeline bağlanır . Dikkat çekici bir şekilde, serbest elektronlar üzerindeki EDSR, sadece spin-rezonans frekansında değil, aynı zamanda siklotron rezonans frekansı ile lineer kombinasyonlarında da gözlemlenebilir . İnversiyon merkezli dar aralıklı yarı iletkenlerde, elektrik alanının anormal koordinata doğrudan bağlanması nedeniyle EDSR ortaya çıkabilir .

EDSR'ye hem serbest taşıyıcılarla hem de kusurlara bağlı elektronlarla izin verilir. Kramers arasındaki geçişler bağlı durumlar konjuge Ancak, onun yoğunluğu faktörü ile bastırılır yörünge hareket bitişik seviyeler arasında ayrılmasıdır.

Basitleştirilmiş teori ve fiziksel mekanizma

Yukarıda belirtildiği gibi, EDSR'nin çeşitli mekanizmaları farklı kristallerde çalışır. Genel olarak yüksek verimliliğinin mekanizması, InSb tipi doğrudan boşluklu yarı iletkenlerdeki elektronlara uygulandığı şekilde aşağıda gösterilmektedir. Enerji seviyelerinin spin-yörünge bölünmesi yasak boşlukla karşılaştırılabilir ise, bir elektronun etkin kütlesi ve g faktörü Kane şeması çerçevesinde değerlendirilebilir, bkz. k·p pertürbasyon teorisi .

,

elektron ve değerlik bantları arasındaki bağlantı parametresi nerede ve vakumdaki elektron kütlesi.

Seçimi spin-yörünge bağlantı anormal dayalı mekanizma koordinat koşulda: Elimizdeki

,

elektron kristal momentumu nerede . Bir bir elektronun Ardından enerji AC elektrik alanı olan

Bir AC elektrik alanında bir hızla boşlukta hareket eden bir elektron , Lorentz dönüşümüne göre etkin bir manyetik alan görür . Bu alandaki enerjisi

Bu enerjilerin oranı

.

Bu ifade, EDSR'nin elektron paramanyetik rezonansı üzerindeki hakimiyetinin nereden geldiğini açıkça göstermektedir . İkinci faktörün payı , 1eV atomik ölçekteyken Dirac aralığının yarısıdır. Güçlendirmenin arkasındaki fiziksel mekanizma, kristallerin içindeki elektronların güçlü çekirdek alanında hareket ettiği ve periyodik tablonun ortasında atom numarası ile ince yapı sabitinin çarpımının birlik mertebesinde olduğu gerçeğine dayanmaktadır ve etkin kuplaj sabitinin rolünü oynayan bu üründür, bkz. spin-yörünge bağlantısı. Bununla birlikte, etkin kütle yaklaşımına dayanan yukarıdaki argümanların , atom ölçeğinin derin merkezlerinde lokalize olan elektronlar için geçerli olmadığı akılda tutulmalıdır . Onlar için EPR genellikle baskın mekanizmadır.

Homojen olmayan Zeeman bağlantı mekanizması

Katılarda spin-yörünge eşleşmesinin yukarıdaki mekanizmaları, Thomas etkileşiminden ve elektronik momentuma çift ​​spin matrislerinden kaynaklanmaktadır . Ancak, Zeeman etkileşimi

Homojen olmayan bir manyetik alanda , Pauli matrislerini elektron koordinatına bağlayarak farklı bir spin-yörünge etkileşimi mekanizması üretir . Manyetik alan, hem makroskopik homojen olmayan bir alan hem de bir kafes sabiti ölçeğinde değişen ferro- veya antiferromıknatısların içindeki mikroskobik hızlı salınımlı bir alan olabilir.

Deney

EDSR ilk olarak güçlü spin-yörünge bağlantısına sahip bir yarı iletken olan indiyum antimonid (InSb) içindeki serbest taşıyıcılarla deneysel olarak gözlemlendi . Farklı deneysel koşullar altında yapılan gözlemler, EDSR'nin çeşitli mekanizmalarını göstermeye ve incelemeye izin verdi. Bell, kirli bir malzemede, geniş bir siklotron rezonans bandının arka planına karşı frekansta hareketle daralmış bir EDSR çizgisi gözlemledi . MacCombe et al. yüksek kaliteli InSb ile çalışırken , siklotron frekansının olduğu kombinasyon frekansında mekanizma tarafından tahrik edilen izotropik EDSR gözlemlendi . İnversiyon-asimetri nedeniyle kuvvetli anizotropik EDSR bandı Dresselhaus spin-yörünge eşleşmesi Dobrowolska ve diğerleri tarafından spin-flip frekansında InSb'de gözlendi . Güçlü anizotropik elektron g - faktörü ile kendini gösteren n- Ge'deki spin-yörünge eşleşmesi , farklı vadilerin dalga fonksiyonlarını karıştıran homojen olmayan elektrik alanları tarafından translasyonel simetriyi kırarak EDSR ile sonuçlanır. Yarı manyetik yarı iletken Cd Mn Se'de gözlemlenen kızılötesi EDSR , homojen olmayan değişim alanı yoluyla dönüş-yörünge bağlantısına atfedildi. Serbest ve kapana kısılmış yük taşıyıcılarına sahip EDSR, kötü bilinen spin-yörünge bağlantısına sahip bir element olan Si'deki çıkıklar dahil olmak üzere çok çeşitli üç boyutlu (3B) sistemlerde gözlemlendi ve incelendi. Yukarıdaki deneylerin tümü, üç boyutlu (3B) sistemlerin yığınında gerçekleştirilmiştir.

Uygulamalar

EDSR'nin başlıca uygulamaları , şu anda düşük boyutlu sistemlere odaklanan kuantum hesaplama ve yarı iletken spintronikte bekleniyor . Ana hedeflerinden biri, örneğin yaklaşık 50 nm büyüklüğündeki kuantum noktalarında , nanometre ölçeğinde bireysel elektron dönüşlerinin hızlı manipülasyonudur . Bu tür noktalar, kuantum hesaplama devrelerinin kübitleri olarak hizmet edebilir . Zamana bağlı manyetik alanlar, pratik olarak böyle bir ölçekte bireysel elektron dönüşlerini ele alamaz, ancak bireysel dönüşler, nano ölçekli kapılar tarafından üretilen zamana bağlı elektrik alanları tarafından iyi bir şekilde ele alınabilir. EDSR tüm temel mekanizmaları yukarıda listelenen kuantum noktaları faaliyet, ancak A B , aynı zamanda bileşiklerin aşırı ince birleştirme elektron nükleer spin spin önemli bir rol oynar. EDSR tarafından işletilen hızlı kübitler elde etmek için güçlü spin-yörünge bağlantısına sahip nanoyapılara ihtiyaç vardır. For Rashba Spin-yörünge eşleşmesi

,

etkileşimin gücü katsayı ile karakterize edilir . InSb kuantum tellerinde , yaklaşık 1 eV'lik atomik ölçeğin büyüklüğü zaten elde edilmiştir. EDSR tarafından işletilen kuantum noktalarına dayalı hızlı dönüşlü kübitler elde etmenin farklı bir yolu, homojen olmayan manyetik alanlar üreten nanomıknatısları kullanmaktır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma