Effects of spin-orbit coupling in quantum semiconductor systems

Resumen

El acoplo spin-orbita (SO) se refiere a la interacción entre el espín y los grados de libertad de movimiento de una partícula, dando lugar a muchos fenómenos fascinantes. Los principales acoplos SO son el acoplo Dresselhaus causado por la asimetría de inversión volumica y el acoplo Rashba causada en semiconductores por la asimetría de inversión estructural. En esta tesis, se estudia el efecto túnel, fenómenos de transporte relacionados con el spin y la manipulación del spin en nanoestructuras semiconductoras y sistemas atómicos en presencia del acoplo SO. En primer lugar, se han establecido escalas de tiempo de tuneleo spin-independiente de un estado localizado. Utilizamos un modelo de la mecánica cuántica para simular la fuga y para estudiar de la dinámica de tuneleo en escalas cortas y largas de tiempo. Por otra parte, la dinámica del spin durante el decaimiento por tuneleo de un estado localizado metaestable se analiza en las zonas cercana y lejana. El acoplo SO puede ser utilizado como una herramienta para medir la longitud del tuneleo que se presenta como otra cantidad para caracterizar el efecto túnel. En segundo lugar, encontramos que la forma de la nanoestructura tiene un gran efecto en estados electrónicos y determina las funciones de onda de los portadores situados allí y las energías correspondientes. Los efectos de acoplamiento de Rashba y Dresselhaus junto con la variación de la forma de guía en procesosde transporte y precesión del spin se tratan en detalle. En tercer lugar, se estudiaron las posibilidades de control rápido del spin del electrón en puntos cuánticos mediante el uso de varias técnicas de atajos a la adiabaticidad. Una técnica empleando métodos de ingeniería inversa basada en invariantes se aplica para lograr el spin-flip en un punto cuántico de un solo electrón. Transiciones de spin entre el singlete y el triplete en un punto cuántico doble de dos electrones son analizados por la tecnica de ingeniería inversa el método de conducción cuántico sin transición. La decoherencia y los errores sistemáticos se analizan para ver la factibilidad de los enfoques propuestos.