Titelaufnahme

Titel
Theory and modeling of spin-transport on the microscopic and the mesoscopic scale / written by Benjamin A. Stickler
Verfasser/ VerfasserinStickler, Benjamin
Begutachter / BegutachterinPötz Walter ; Arrigoni Enrico
Erschienen2013
UmfangIX, 220 S. : 2 Zsfassungen ; graph. Darst.
HochschulschriftGraz, Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. und engl. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-52626 Persistent Identifier (URN)
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Theory and modeling of spin-transport on the microscopic and the mesoscopic scale [1.56 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel dieser Dissertation ist es, zur theoretischen Beschreibung von Spin-Transport in Festkörpersystemen beizutragen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer vollständig quantenmechanischen Modellierung von spin-kohärentem Transport durch magnetische Heterostrukturen. Mit Hilfe dieser Modellierung werden CrAs / GaAs Heterostrukturen auf ihre Einsetzbarkeit als effiziente Raumtemperatur-Spinfilter-Bauteile untersucht. Der theoretische Zugang besteht aus drei Schritten: Im ersten werden die elektronischen Strukturen der Materialien sowie der "band offset" zwischen diesen bestimmt. Im zweiten Schritt wird diese Information auf ein effektives "nearest-neighbor tight-binding" Modell abgebildet. Auf Basis dieses Modells wird dann, im dritten Schritt, über Nichtgleichgewichts - Green's - Funktionen der durch die Heterostruktur fließende Strom berechnet. Unsere theoretischen Ergebnisse weisen darauf hin, dass sich CrAs / GaAs Heterostrukturen tatsächlich zur Realisierung effizienter Spinfilter-Bauteile eignen. Im zweiten Teil dieser Dissertation diskutieren wir einen mesoskopischen Zugang zur Beschreibung von Spin-Transport. Mesoskopische Modelle sind im Besonderen dann von Interesse, wenn eine vollständig quantenmechanische, also mikroskopische Beschreibung, zu kompliziert, beziehungsweise zu aufwendig ist. Wir leiten aus der von Neumann Gleichung für ein zusammengesetztes Quantensystem eine Gleichung für die semiklassische effektive Dynamik eines einzelnen Elektrons in der Umgebung magnetischer Streuzentren her, also eine Spin - Boltzmann - Gleichung. Diese Gleichung kann dann, gemeinsam mit entsprechenden Quantenkorrekturen, verwendet werden, um weitere mesoskopische Spin - Transportmodelle herzuleiten. Es wird besonders hervorgehoben, dass die Spin - Boltzmann - Gleichung eine bisher fehlende systematische Verbindung zwischen einer mikroskopisch quantenmechanischen und einer heuristisch mesoskopischen Beschreibung darstellt.

Zusammenfassung (Englisch)

It is the aim of this thesis to contribute to the description of spin dynamics in solid state systems. In the first part of this work we present a full quantum treatment of spin-coherent transport in halfmetal / semiconductor CrAs / GaAs heterostructures. The theoretical approach is based on the ab-initio determination of the electronic structures of the materials involved and on the calculation of the band offset. These ingredients are in the second step cast into an effective nearest-neighbor tight-binding Hamiltonian. Finally, in the third step, we investigate by means of the non-equilibrium Green's function technique the current which flows through such a heterostructure if a finite bias is applied. With the help of this strategy it is possible to identify CrAs / GaAs heterostructures as probable candidates for all-semiconductor room-temperature spin-filtering devices, which operate without externally applied magnetic fields. In the second part of this thesis we derive a linear semiclassical spinorial Boltzmann equation. For many (mesoscopic) device geometries a full quantum treatment of transport dynamics may not be necessary and may not be feasible with state-of-the-art techniques. The derivation is based on the quantum mechanical description of a composite quantum system by means of von Neumann's equation. The Born-Markov limit allows us to derive a Lindblad master equation for the reduced system plus non-Markovian corrections. Finally, we perform a Wigner transformation and take the semiclassical limit in order to obtain a spinorial Boltzmann equation, suitable for the description of spin transport on the mesoscopic scale. It has to be emphasized that the spinorial Boltzmann equation constitutes the missing link between a full quantum treatment and heuristically introduced mesoscopic models for spin transport in solid state systems.