بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ترابرد وابسته به اسپین نانو ورقه ی سیلیسینی از سد پتانسیل الکتریکی در حضور برهم کنش اسپین مدار راشبا ذاتی با استفاده از رهیافت ماتریس انتقال بررسی شده است. این ترابرد در دو حالت با در نظر گرفتن راشبا و بدون درنظر گرفتن آن تحت تاثیر گیت فرومغناطیس در ناحیه سد پتانسیل الکتریکی بررسی می شود.
بررسی ها نشان می دهد تبهگنی جریان اسپینی از بین رفته و این سیستم می تواند به عنوان فیلتر کننده اسپین عمل نماید. همچنین راشبا هیچ تاثیری بر اندازه انتقال و یا کیفیت متوقف سازی اسپین نداشته و تنها باعث تغییر نوع فیلتر اسپینی می شود. همچنین فیلتر اسپینی وابسته به طول سد پتانسیل الکتریکی است.
.1 مقدمه
مطالعه خواص اسپینی در نیمه رساناها موضوع داغ تحقیقات کنونی به شمار می رود. برای اسپین در محدوده 100 میکرومتر امیدهای زیادی برای یافتن مکانیسم قدرتمندتری برای انتقال داده ها و ساخت نسل جدیدی از قطعات الکترونیکی با قابلیت بسیار بالا وجود دارد و عرصه تحقیقاتی بزرگی را پیش روی پژوهش گران محاسبات کوانتومی و اسپینترونیک نهاده است.
سیلیسین، تک لایه ای از اتم های سیلیکون در ساختاری لانه زنبوری چین خورده - پارامتر چین خوردگی آن برابر است با 0,46 آنگستروم - می باشد. این ماده در پژوهش های اخیر هم به صورت تئوری و هم تجربی مورد توجه قرار گرفته است
سیلیسین با تکنولوژی الکترونیک مبتنی بر سیلیکون سازگاری بیشتری داشته و همین باعث شده تا ساخت و تجاری سازی آن به صرفه تر باشد. در سال 2015 برای اولین بار ترانزیستور اثر میدانی ساخته شده با سیلیسن به نمایش گذاشته شد
این کریستال دو بعدی دارای برهم کنش اسپین مدار قوی با قدرت برهم کنش اسپین مدار ذاتی برابر 3/9mev و راشبای ذاتی 0/7mev است که گاف نواری مستقیمی حدود 1/55mev را در ساختار ایجاد می کند. ثابت شبکه ی محاسبه شده برای آن3/866 ̇ و نیز فاصله ی − در سیلیسین در صفحه ̇ − ، 2,232 می باشد. همچنین مشاهده ی اثر هال کوانتومی در محدوده ی دماهای واقعی، جفت شدگی اسپینی-دره ای قوی، در سیلیسین، آن را برای ساخت دستگاه های اسپینترونیکی بسیار مناسب ساخته است.[6] در سال های اخیر به طور نظری ساختار باند و اثر کوانتومی هال غیر عادی در سیلیسین مطالعه شده است.
تاکنون در بررسی های انجام شده بر ترابری اسپینی در حضور فرومغناطیس تاثیر برهم کنش اسپین مدار راشبا نادیده گرفته شده است به همین دلیل ما انتقال اسپینی را در حضور فرومغناطیس با در نظر گرفتن برهم کنش اسپین مدار راشبا مطالعه نموده و نتایج حاصل را در شرایط یکسان با نتایج انتقال اسپینی بدون در نظر گرفتن راشبا مقایسه نمودیم. نشان می دهیم با درنظر گرفتن برهم کنش اسپین مدار راشبا و مغناطش مناسب می توان فیلتر اسپینی کاملی ایجاد نمود.
.2 روش تحقیق و محاسبه انتقال
ما سیستمی بدون ناخالصی را در نظر گرفته و از برهم کنش الکترون-الکترون در آن صرف نظر کرده ایم. بخش اساسی این سیستم یک نانو ورقه ی سیلیسنی است که یک گیت فلزی در بالای آن قرار داده شده است و باعث ایجاد سدپتانسیلی به ارتفاع 0 می شود. هامیلتونی مورد استفاده ی ما برای ساختار مورد نظر به شکل زیر می باشد.
در اینجا چون میدان الکتریکی وجود ندارد، راشبای خارجی نیز صفر می شود. برهم کنش اسپین مدار ذاتی و راشبای ذاتی در سرتاسر نمونه وجود دارد. ما در ناحیه سد فرومغناطیس را به طور عمود بر صفحه ی سیلیسین اعمال می کنیم و در این ناحیه، 0 و ℎ را خواهیم داشت. توجه داشته باشید که ما انتقال بالستیک را در نظر گرفتیم، با استفاده از جاگذاری مقادیر داده شده و اسپینورهای 4 تایی ماتریس پائولی در پایه های = { A↑ , ↑ , ↓ ↓} ماتریس هامیلتونی را برای دره های k و k' بدست آورده و طبق آنچه که از مکانیک کوانتومی پایه در رابطه با سدهای مربعی آموختیم می بایست ابتدا ویژه مقادیر هامیلتونی و ویژه توابع هامیلتونی را در ناحیه ی نرمال و سد بدست می آوریم.
برای بدست آوردن ضریب عبور از پایستگی توابع موج در فصل مشترک استفاده می کنیم سپس میتوان رابطه بین ضریب بازتاب و ضریب عبور را به وسیله ماتریس انتقال محاسبه کرد. به عبارت دیگر از اعمال شرط پیوستگی توابع موج در فصل مشترک بین دو ناحیه یک ماتریس انتقال از فصل مشترک بدست می آید
.3 نتایج و بحث
شکل1 احتمال عبور اسپینی را به عنوان تابعی از زاویه فرود برای دره های k و k' در حضور راشبا نشان می دهد که E انرژی الکترون ورودی E= 0,0041 ev و طول سد 15 نانو متر در نظر گرفته شده است. در اینجا ارتفاع سد 250 میلی الکترون ولت و در حضور راشبا با قدرت = 0.7 در نظر گرفته می شود. ما مغناطشی به اندازه ی 0/5 الکترون ولت را اعمال نموده و همانطور که از شکل1 الف در می یابیم در شرایط یکسان تحت تاثیر راشبا هر دو دره، مانند هم رفتار می کنند و جریان اسپین ورودی، تبهگنی خود را از دست داده و به دو جریان شکافته می شود.
در این شرایط الکترون های با اسپین پایین از سد عبور کرده و الکترون های با اسپین بالا متوقف می شوند. همچنان احتمال عبور برای هر دو دره یکسان است و تفاوتی با هم ندارند و هر دو یک نوع فیلتر اسپینی بدست می دهند . در این شرایط سامانه در نظر گرفته شده همانند فیلتر اسپین پایین عمل می کند. ملاحظه می شود که به دلیل کوچکی مقدار راشبا الکترون ورودی با اسپین بالا - پایین - پس از عبور از سد دچار چرخش اسپین نمی شود و انتظار وارون شدگی اسپین را نداریم. شکل 1ب احتمال عبور اسپینی را به عنوان تابعی از زاویه فرود برای دره ی k و k' بدون در نظر گرفتن راشبا نشان می دهد.
همانطور که مشاهده می کنیم در غیاب راشبا باز هم هر دو دره مانند هم رفتار نموده و تبهگن باقی می مانند ولی این بار الکترون های با اسپین بالا عبور کرده و الکترون های با اسپین پایین متوقف می شود. در این حالت سامانه همچون فیلتر اسپین پایین عمل می کند . همچنین با تغییر جهت میدان تبادلی گیت فرومغناطیس می توان در هر دو حالت با در نظر گیری و بدون در نظر گیری راشبا نوع فیلتر را تغییر داد.
