Теоретическое исследование поведения спинов электрона и ядер в квантовой точке

• Автор: Абалмасов, Вениамин Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Теоретическое исследование релаксации спина электрона и ядер в
квантовой точке
1.2. Экспериментальные работы по измерению времени релаксации
спина электрона и ядер в квантовой точке
1.3. Поляризация ядерных спинов в твёрдом теле
Глава 2. Фононный механизм электронно-ядерной спиновой релаксации через сверхтонкое взаимодействие в квантовой точке
2.1. Введение
2.2. Гамильтониан
2.3. Переход между зеемановскими подуровнями энергии
2.4. Релаксация триплетного в синглетное состояние
2.5. Численная оценка и обсуждение
2.6. Заключение
Глава 3. Релаксация спина электрона через флуктуации электрического поля в квантовой точке
3.1. Введение
3.2. Теоретическая модель
3.3. Вероятность переворота спина
3.4. Сверхтонкое взаимодействие
3.5. Спин-орбитальное взаимодействие
3.6. Заключение

Глава 4. Обзор экспериментальных данных по скорости релаксации электронного спина в квантовой точке
4.1. Введение
4.2. Экспериментальные данные и их подгонка
4.3. Обсуждение результатов
4.4. Заключение
Глава 5. Динамическая самополяризация ядерных спинов в квантовой точке
5.1. Введение
5.2. Теоретическая основа
5.3. Ток через квантовую точку и поляризация ядер
5.4. Механизмы релаксации ядерных спинов
5.5. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение
Актуальность
Спин - собственный момент импульса элементарных частиц является ключевым понятием квантовой физики и с момента своего экспериментального обнаружения в 1922 году в опытах Штерна и Герлаха продолжает оставаться объектом интенсивных фундаментальных и прикладных исследований. Спин тесно связан с магнитным моментом частиц и определяет, таким образом, магнитные свойства вещества. Спин определяет также квантовую статистику частиц, а значит и структурные и электронные свойства веществ. Кроме того, спин, как дополнительная степень свободы каждой отдельной элементарной частицы, может использоваться для хранения и передачи информации.
Спиновые эффекты в электронике активно изучаются с семидесятых годов прошлого века. Данное направление исследований получило название спинтроники [1-5]. Открытый в 1988 году эффект гигантского магнетосопро-тивления нашёл применение в промышленной микро(нано)электронике в качестве механизма считывания битов информации с накопителей на жёстких магнитных дисках в компьютерах.
Ещё более многообещающими являются перспективы использования спина электронов и ядер атомов кристалла в квантовой электронике в контексте создания квантового компьютера, идея которого возникла в последней четверти двадцатого века (см., например, [6,7]). Относительно слабо взаимодействующий с другими степенями свободы спин в большей степени способен сохранять когерентность своих состояний, что является необходимым условием для проведения квантовых вычислений, и претендует, таким образом, на роль физической реализации квантового бита (кубита) информации [8,9].
Время декогеренции квантового состояния, ТД и время его релаксации в состояние термодинамического равновесия, 7, в результате взаимодействия с окружающей средой являются ключевыми параметрами кубита [10] (обозна-

орбитального состояния, нормированного согласно (2.9). Для определённости. примем, что это состояние соответствует квантовым числам п = 0 и Л = 1 (во внешнем магнитном поле энергия этого состояния меньше энергии во, — 1) • Заметим также, что в полном гамильтониане нет слагаемых, которые связывали бы состояния с А = ±1.
Спиновую часть волновой функции (подобно [13]) напишем в виде:
ит — IV,,, гл. + ггл,, , .
,1} = +1) + _1) + 1/2,110)’ (2'30)
где коэффициенты Ух,у,г определяют первоначальную суперпозицию вырожденных состояний |1,т) с различными значениями ^-компоненты тп = ±1,0 полного спина 5 = 1 двух электронов.
Аналогично представим конечное состояние электронов в виде:
|/е5) = |^(гьг2))®|0), (2.31)
где |0) означает синглетное состояние спинов электронов (5 = 0) и координатная волновая функция имеет вид:
Лг1,Г!)*±Н±±). (2.32,
Амплитуда квантового перехода определяется выражениями аналогичными (2.16) и (2.17), в которых введено суммирование по координатам обоих электронов, т.е. Уг^/Дг-Я,) -> )Гг Уг,14;(гг-КД и т.д.
В данном случае энергия релаксационного фонона, Лш, равна одноэлектронной энергии возбуждения, Н(шо — сас/2). В выражении для Л2, Ер. (2.17), вклад возбуждённого синглетного по спину состояния ■г/>5*(гц.гг) = о(г1)(^1(г2) - ^о(г2)^1(г1))|5 = 0) является основным, учитывая малую величину обменной энергии 6$т — Ет — Е3 в знаменателе дроби по сравнению с /гшо [13]. В то же время будем считать, что отношение