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Efecto de la orientación cristalográfica en la conductividad Hall de espín y fase de Berry de un gas electrónico con interacción espín-órbita
Crystallographic orientation effect on the spin Hall conductivity and Berry phase of a spin-orbit electronic gas
DANIEL ALBINO MUÑOZ SANTANA
Jesús Alberto Maytorena Córdova
Acceso Abierto
Atribución
Fase de Berry, heteroestructura semiconductora, espín-órbita, espintrónica
Berry phase, semicondcutor structure, spin-orbit, spintronics
En esta tesis se estudian funciones respuesta dinámicas, tales como la conductividad de carga y la conductividad de espín, de un gas electrónico bidimensional (GE2D) con acoplamiento espín-órbita tipo Rashba y tipo Dresselhaus lineal en k para una dirección de crecimiento arbitraria. Se investiga el efecto de la orientación del gas sobre estas cantidades, para lo cual, primero se deriva el Hamiltoniano espín-órbita que corresponde a dicha dirección arbitraria; se obtienen expresiones generales (fórmulas de Kubo) de los tensores de conductividad de carga y espín, sin especificar una forma funcional explícita del campo vectorial espín-órbita, mediante la teoría de respuesta lineal. Para el caso particular de una interacción espín-órbita Rashba y Dresselhaus lineal en k, estas expresiones presentan un prefactor que depende de los parámetros espín-órbita y de la orientación cristalina. A partir de dicho prefactor, es posible determinar las condiciones bajo las cuales se anulan la absorción óptica y la corriente de espín. Al realizar los cálculos numéricos, se obtienen espectros de la densidad conjunta de estados y funciones respuesta que son significativamente diferentes dependiendo de la relación entre la magnitud de las contribuciones espín-órbita y la dirección de crecimiento cristalográfico. Se procede a analizar los prefactores correspondientes a cada conductividad y se encuentra que ambos factores se anulan, y por lo tanto las conductividades, al cumplirse las condiciones de simetría SU(2), bajo las cuales el campo espina-órbita se vuelve colineal; sin embargo, para el caso de la conductividad de espín, hay condiciones que anulan esta cantidad sin necesidad de un campo independiente de k. Por último, se realiza un cálculo de la Fase de Berry y la conductividad Hall de espín estática del GE2D con el objetivo de determinar las direcciones de crecimiento para las cuales es posible encontrar una relación entre ambas cantidades. En el estudio se observa que no existe una conexión de tipo universal, sin embargo, para las orientaciones del gas [001] y [111] específicamente, sí hay una relación.
We study the dynamic response functions giving the charge and spin currents induced in a two- dimensional electronic gas (2DEG) with Rashba and Dresselhaus spin-orbit coupling (SOC) by an external AC electric field. We focus on the effects of crystal orientation on the optical and spin Hall conducti- vities. The Hamiltonian for a 2DEG grown along an arbitrary direction and general expressions for the response tensors in terms of a generic spin-orbit vector field are derived within the formalism of linear response theory. For a linear-in-momentum Rashba and Dresselhaus SOC, the obtained Kubo formulas present a prefactor which depends on the SO strength parameters and the crystallographic orientation. The analysis of these prefactors reveals the conditions for vanishing of the charge and spin responses. We found that such conditions are exactly those sufficient to produce a spin-preserving SU(2) symmetry of the Hamiltonian, where the SO vector field becomes collinear, defining a fixed axis of quantization, as was reported recently. Additionally, an alternative condition for vanishing of the spin conductivity without appealing to the SU(2) symmetry is found. The spectral features of the calculated spectra of the optical and spin Hall conductivities are explained in terms of critical frequencies of the joint density of states, and the dependence on the crystal orientation is discussed. These results suggest an additional way to manipulate the charge and spin dynamic responses via crystal orientation, besides electrical gating or frequency modulation. Knowing the Hamiltonian for an arbitrary grown direction, and motivated by some particular results in the literature, we explore the possible connection between the static spin Hall conductivity and the Berry phase. In contrast to recent reports, we included a normal-to-the-plane component of the SO vector field and analytically calculated these quantities. We found that, in general, a universal connection does not exist, except for samples oriented along the [001] and [111] directions.
CICESE
2018
Tesis de maestría
Español
Muñoz Santana, D.A. 2018. Efecto de la orientación cristalográfica en la conductividad Hall de espín y fase de Berry de un gas electrónico con interacción espín-órbita. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 91 pp.
PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
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