بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، نقطه کوانتومی InAs به شکل دیسکی با پتانسیل محبوسسازی دیواره سخت در نظر گرفته شده است. با این فرض نشان داده شده است که مقدار بیشینه ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست خطی میتوانند تحت تأثیر قدرت جفتشدگی اسپین-مدار راشبا قرار بگیرند؛ بطوریکه با افزایش قدرت جفت-شدگی اسپین-مدار راشبا، مقدار بیشیته ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست به سمت طول موجهای قرمز پیش میروند.
مقدمه
پدیدههای وابسته به اسپین پایه و اساس شاخه اسپینترونیک میباشند از، اینرو اخیراً توجه زیادی را به خود جلب کردهاند. همانند ادوات الکترونیکی که مبتنی بر کنترل الکترونها هستند، در شاخه اسپینترونیک نیز ادوات میتوانند مبتنی بر کنترل درجه آزادی اسپین باشند. این قبیل ادوات، مزیتهای زیادی در کارهای الکترونیکی و اپتو-اسپینترونیک دارند
اثر جفتشدگی اسپین-مدار در این ادوات اجازه به کنترل نمودن اسپین بدون کمک گرفتن از میدان مغناطیسی خارجی میدهد. نقاط کوانتومی که در میان ساختارهای نیمرسانای با ابعاد کاهش یافته، برای کاربردهای تکنولوژیکی مناسب میباشند، طیف گستردهای از امکانات جدید از تکنولوژی لیزر گرفته تا کاربردهایی در ترانزیستور نقطه کوانتومی و کاربردهایی در محاسبهگرهای کوانتومی را باز میکنند. محبوسسازی حاملین در نقاط کوانتومی موجب تشکیل ترازهای انرژی گسسته شبه اتم میشود. یکی از جالبترین خواص این نقاط امکان ظهور گذارها بین ترازها میباشد و اینکه عنصر ماتریس دو قطبی گذار نوری بین ترازهای نقاط کوانتومی مقدار بزرگی دارد.
اغلب کارهای انجام شده، مدل نوسانگر هارمونیک را برای توصیف پتانسیل محبوسسازی الکترونها در نقاط کوانتومی در نظر گرفتهاند، که محاسباتشان تقریبی و بطور عددی میباشد. حال آنکه پتانسیل محبوسسازی دیواره سخت در نقطه کوانتومی کمتر مطالعه شده است. در این مقاله، نقطه کوانتومی InAs به صورت قرصی با پتانسیل محبوسسازی جانبی دیواره سخت فرض می- شود.
هدف، بررسی تأثیر جفتشدگی راشبا بر روی خواص نوری از جمله قسمتهای خطی و غیرخطی ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست این نقطه کوانتومی میباشد. جفتشدگی اسپین-مدار همانطور که میدانیم اسپین، مؤلفه اساسی و جدانشدنی از الکترونها میباشد و به دلایل زیادی ویژگی جالبی برای الکترونها محسوب میشود. یکی از این دلایل امکان تزویج اسپین با ممنتوم مداری الکترون میباشد.
جفتشدگی اسپین-مدار از مکانیک کوانتومی نسبیتی نتیجه شده و توسط معادله دیراک توصیف می-شود. در حد غیرنسبیتی، معادله دیراک به معادله معروف شرودینگر کاهش مییابد، که تصحیحات نسبیتی آن شامل جمله مهمی است که اسپین الکترون را با ممنتوم مداریاش و گرادیان پتانسیلهای خارجی تزویج میکند. در بیشتر سیستمهای ماده چگال، الکترونها متأثر از پتانسیل بلوری میباشند. اگر در این سیستمها گرادیان پتانسیل وجود داشته باشد، اندرکنشهای مؤثر اسپین-مدار ایجاد میشوند. این اندرکنشها معمولاً از موارد زیر نشأت میگیرند:
- 1 فقدان تقارن وارونی در مواد کپهای که منجر به جفتشدگی اسپین-مدار درسلهاوس [4] میشود. این نوع بلورها بعنوان بلورهای بدون مرکز تقارن شناخته میشوند که شامل پیوندهای قطبی میباشند که میدانهای الکتریکی را بین اتمها سبب میشوند و همین امر منجر به جفتشدگی اسپین-مدار میشود.
- 2 فقدان تقارن وارونی در ساختارهای نامتجانس نیمرسانای دوبعدی که منجر به جفتشدگی اسپین-مدار راشبا میشود [5]، این اثر به احترام امانوئل راشبا که آن را در سال 1960 کشف نمود، نامیده شده است. اگر بلوری محوری با تقارن بالا داشته باشد و دارای بردار ناوردای υ در امتداد این محور باشد، هامیلتونی اندرکنش اسپین-مدار یک الکترون به صورت خواهد بود؛ که در آن ضریب قدرت جفتشدگی راشبا است.
در ساختارهای نامتجانس، بردار واحد در امتداد بردار نرمال سطح خواهد بود.
نقاط کوانتومی نیمرسانا میتوانند به صورت سیستمهای دوبعدی با پتانسیل محبوسسازی Vc - x,y - توصیف شوند. دومدل پتانسیل وجود دارد که بطور گسترده در این زمینه بکار گرفته میشوند. اولی پتانسیل نوسانگر هارمونیک است که محاسبات آن بطور تقریبی - نه دقیق - انجام میشود. مدل دوم، قرصی با دیواره- های سخت میباشد که برخی از محاسبات مربوط به این مدل بطور دقیق و تحلیلی انجام میشود.
روشهای محاسباتی
در این مقاله، ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست نقطه کوانتومی با استفاده از روش ماتریس چگالی محاسبه میشوند.روابط مربوط به قسمت خطی ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست به ترتیب به صورت زیر خواهند بود
همچنین روابط مربوط به قسمت غیر خطی ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست نیز به ترتیب به صورت زیر خواهند بود با توجه به روابط، مقدار بیشینه ضریب جذب خطی متأثر از E21 و رفتارش به شدت وابسته به تفاوت انرژی بین ترازها خواهد بود، درحالیکه مقدار بیشینه تغییرات ضریب شکست خطی بیشتر متأثر از Mij میباشد.
نتایج محاسبات
در این بخش نتایج محاسبات عددی مربوط به قسمتهای خطی و غیرخطی ضریب جذب و تغییرات ضریب شکست ارائه میشود. تغییرات ضریب شکست مهم میباشد، محاسبه شده و روند تغییرات آن برحسب تغییرات قدرت جفتشدگی راشبا در شکل 2 آورده شده است. مشاهده میشود که با افزایش قدرت جفتشدگی راشبا، مقدار M12 کاهش مییابد.
شکل .1 ویژه مقادیر انرژی بر حسب تغییرات قدرت جفتشدگی اسپین
شکل .2 عنصر ماتریسی ممان دوقطبی برحسب قدرت جفتشدگی راشبا.
