Spin and charge transport in thermally and ac driven nanodevices

Abstract

[eng] This thesis deals with electronic transport in nanodevices driven by temperature gradients or time-dependent potentials. Our emphasis is on both spintronic effects arising from the influence of inhomogeneous spin-orbit couplings and charging effects originated from strong electron-electron interactions in quantum dots. Chapter 1 is a broad introduction aimed at nonspecialists. We discuss the history of the subject paying attention to the latest developments. We explain the general concepts employed in the rest of this thesis with the objective of offering a self-contained presentation of our research. In Chapter 2 we investigate the transport properties of a graphene layer in the presence of Rashba spin-orbit interaction. We calculate within the scattering approach the linear electric and thermoelectric responses of a clean sample when the Rashba coupling is localized around a finite region. We find that the thermoelectric conductance, unlike its electric counterpart, is quite sensitive to external modulations of the Fermi energy. Furthermore, we find that the junction thermopower is largely dominated by an intrinsic term independently of the spin-orbit potential scattering. In order to investigate whether the previous results are similar for a semiconductor heterostructure two-dimensional electron gas (2DEG), in Chapter 3 we consider a spin-orbit-coupled 2DEG under the influence of a thermal gradient externally applied to two attached reservoirs. We discuss the charge, spin and magneto-Seebeck effects also in the ballistic regime of transport at linear response. We find that the charge thermopower (S) is an oscillating function of both the spin-orbit strength and the quantum well width. We also observe that S is always negative for normal leads. When the contacts are ferromagnetic, we calculate the spin-resolved Seebeck coefficient and investigate its sign changes by tuning the Fermi energy. Additionally, we determine the magneto-Seebeck ratio, which shows dramatic changes in the presence of the Rashba potential. Because the spin-injection efficiency between dissimilar materials tends to be low, in Chapter 4 we investigate the transmission properties of a spin transistor coupled to two quantum point contacts acting as spin injector and detector. Interestingly, the Rashba interaction can be tuned in such a way that nonuniform spin-orbit fields can point along distinct directions in different points of the sample. We discuss both spin-conserving and spin-flipping transitions as the spin-orbit angle of orientation varies from parallel to antiparallel configuration. Spin precession oscillations are clearly seen as a function of the length of the central channel. Remarkably, we find that these oscillations combine with the Fabry-Perot motion giving rise to quasiperiodic transmissions in the purely one-dimensional case. Furthermore, we consider the more realistic case of a finite width in the transverse direction and find that the coherent oscillations become deteriorated for moderate values of the spin-orbit strength. In Chapter 5 we consider an interacting quantum dot working as a coherent source of single electrons. The dot is tunnel coupled to a reservoir and capacitively coupled to a gate terminal with an applied ac potential. We investigate the quantized dynamics as a consequence of ac pulses with large amplitude. Within a KeldyshGreen function formalism we derive the time dependent current in the Coulomb blockade regime. We prove that the electron emission and absorption resonances undergo a splitting when the charging energy is larger than the tunnel broadening. Quantization of the charge emitted by the capacitor is reduced due to Coulomb repulsion and additional plateaus arise. Finally, a summary and outlook of our results are included in Chapter 6.

[cat] En aquesta tesi estudiam les propietats de transport de dispositius electrònics que operen en presència de gradients de temperatura o potencials dependents del temps. Param més atenció als efectes espintrònics resultants d’acoblaments espín-òrbita inhomogenis i als de càrrega originats per la forta interacció entre electrons en punts quàntics. El capítol 1 és una introducció adreçada a persones no especialitzades en el tema on se n’explica l’evolució històrica, sempre tenint en compte els últims descobriments. A més a més, per tal d’oferir una presentació autònoma de la nostra investigació, exposam els conceptes generals que utilitzam en la resta de la tesi. En el capítol 2 investigam les propietats de transport d’una capa de grafè en presència d’una interacció espín-òrbita de tipus Rashba localitzada en una regió finita. Utilitzant el formalisme de dispersió, estudiam la resposta lineal elèctrica i termoelèctrica i obtenim que la conductància termoelèctrica, a diferència del seu equivalent elèctric, presenta variacions grans en funció de l’energia de Fermi (EF ). Sorprenentment, hem trobat que la termopotència, en funció de EF , està dominada per un terme intrínsec que és independent del potencial espín-òrbita de dispersió. Per tal d’investigar si els resultats anteriors són similars per a un gas d’electrons bidimensional (2DEG), en el capítol 3 consideram un sistema com el del capítol 2 però reemplaçant el grafè per un 2DEG. Estudiam l’efecte Seebeck de càrrega, espín i magnètic també en el règim balístic de transport en resposta lineal i obtenim que la termopotència de càrrega S és una funció oscil·lant de la intensitat espín-òrbita i de l’amplada del pou quàntic amb un valor sempre negatiu per a contactes normals. Quan introduïm contactes ferromagnètics, el coeficient Seebeck d’espín deixa de ser nul i mostra canvis de signe en variar EF . Així mateix determinam el coeficient Seebeck magnètic, el qual també experimenta canvis de signe en presència del potencial de Rashba. Pel fet que la injecció d’espín entre materials diferents té una eficiència baixa, en el capítol 4 investigam les propietats de transmissió d’un transistor d’espín en el qual els injectors i detectors magnètics venen donats per contactes de punt quàntic, no contactes ferromagnètics com en el capítol 3. Curiosament, la interacció de Rashba pot manipular-se de tal manera que el camp pot apuntar en diferents direccions al llarg del sistema. Llavors, modificant l’angle d’orientació del camp espín-òrbita des de la configuració paral·lela a l’antiparal·lela estudiam la conservació i el volteig de l’espín. Observam clarament oscil·lacions de precisió en funció de la longitud del canal central i, notablement, aquestes es combinen amb el moviment de Fabry-Perot i donen lloc a transmissions quasi periòdiques en el cas purament unidimensional. Finalment, consideram un cas més realista (amplada finita en la direcció transversal) i obtenim que aquestes oscil·lacions coherents, es deterioren per a valors moderats de la intensitat espínòrbita. En el capítol 5 consideram un punt quàntic interactuant que funciona com una font coherent d’electrons individuals. Aquest punt està acoblat mitjançant una barrera túnel a un contacte i es troba subjecte a un potencial ac aplicat a un terminal de porta. Utilitzant el formalisme de funcions de Keldysh-Green, investigam la dinàmica quàntica del sistema com a conseqüència de polsos ac de gran amplitud en el règim de bloqueig de Coulomb. Obtenim que el corrent dependent del temps mostra un desdoblament de les ressonàncies d’emissió i absorció d’electrons quan l’energia de càrrega és més gran que l’eixamplament de túnel. A més, la quantització de la càrrega emesa pel sistema es redueix com a conseqüència de la repulsió de Coulomb i sorgeixen plateaux addicionals. Finalment, el capítol 6 conté les conclusions de la nostra tesi i algunes perspectives dels nostres resultats.

[spa] En esta tesis estudiamos las propiedades de transporte de dispositivos electrónicos que operan en presencia de gradientes de temperatura o potenciales dependientes del tiempo. Prestaremos atención a los efectos espintrónicos debidos a acoplamientos espín-órbita inhomogéneos y a los de carga originados por la fuerte interacción entre electrones en puntos cuánticos. El capítulo 1 es una introducción dirigida a personas no especializadas en el tema donde se explica su evolución histórica siempre teniendo en cuenta los últimos descubrimientos. Además, con el fin de ofrecer una presentación autónoma de nuestra investigación, exponemos los conceptos generales que utilizaremos en el resto de la tesis. En el capítulo 2 investigamos las propiedades de transporte de una capa de grafeno en presencia de una interacción espín-órbita de tipo Rashba localizada en una región finita. Utilizando el formalismo de dispersión, estudiamos la respuesta lineal eléctrica y termoeléctrica, obteniendo que la conductancia termoeléctrica, a diferencia de su equivalente eléctrico, presenta grandes variaciones en función de la energía de Fermi (EF ). Sorprendentemente, hemos encontrado que la termopotencia, en función de EF , está dominada por un término intrínseco que es independiente del potencial espín-órbita de dispersión. A fin de investigar si los resultados anteriores son similares para un gas de electrones bidimensional (2DEG), en el capítulo 3 consideramos un sistema como el del capítulo 2 reemplazando el grafeno por un 2DEG. Estudiamos el efecto Seebeck de carga, espín y magnético también en el régimen balístico de transporte en respuesta lineal y obtenemos que la termopotencia de carga S es una función oscilante de la intensidad espín-órbita y del ancho del pozo cuántico con un valor siempre negativo para contactos normales. Al introducir contactos ferromagnéticos, el coeficiente Seebeck de espín deja de ser nulo y muestra cambios de signo al variar EF . También determinamos el coeficiente Seebeck magnético, el cual también experimenta cambios de signo en presencia del potencial de Rashba. Debido a que la inyección de espín entre materiales diferentes tiene una eficiencia baja, en el capítulo 4 investigamos las propiedades de transmisión de un transistor de espín cuyos inyectores y detectores magnéticos vienen dados por contactos de punto cuántico, no contactos ferromagnéticos como en el capítulo 3. Curiosamente, la interacción de Rashba puede manipularse de tal forma que el campo puede apuntar en distintas direcciones a lo largo del sistema. Entonces, modificando el ángulo de orientación del campo espín-órbita desde la configuración paralela a la antiparalela estudiamos la conservación y el volteo del espín. Claramente observamos oscilaciones de precesión en función de la longitud del canal central y, notablemente, estas se combinan con el movimiento de Fabry-Perot dando lugar a transmisiones cuasiperiódicas en el caso puramente unidimensional. Finalmente, consideramos un caso más realista (anchura finita en la dirección transversal) y obtenemos que estas oscilaciones coherentes se deterioran para valores moderados de la intensidad espín-órbita. En el capítulo 5 consideramos un punto cuántico interactuante funcionando como una fuente coherente de electrones individuales. Dicho punto está acoplado mediante una barrera túnel a un contacto y se halla sujeto a un potencial ac aplicado a un terminal de puerta. Utilizando el formalismo de funciones de Keldysh-Green, investigamos la dinámica cuántica del sistema como consecuencia de pulsos ac de gran amplitud en el régimen de bloqueo de Coulomb. Obtenemos que la corriente dependiente del tiempo muestra un desdoblamiento de las resonancias de emisión y absorción de electrones cuando la energía de carga es mayor que el ensanchamiento túnel. Además, la cuantización de la carga emitida por el sistema se reduce debido a la repulsión de Coulomb y surgen plateaux adicionales. Finalmente, el capítulo 6 contiene las conclusiones de nuestra tesis y perspectivas de nuestros resultados.