Propriedades de spintrônica do gás de elétrons e dinâmica do íon Mn em nano estruturas semicondutoras magnéticas

Abstract

Esta tese apresenta um estudo teórico das propriedades de spintrônica do gás de elétrons em nano estruturas semicondutoras magnéticas obtidas a partir de semicondutores magnéticos diluídos (III, Mn)V e (II, Mn)VI da dinâmica do íon Mn na presença de um background de 2DEG (Gás de elétrons bi-dimensional). Primeiramente, realizamos cálculos para a determinação de quantidades físicas tais como tempo de relaxação spin-flip, flip τ , entre os elétrons s-p e os elétrons 3d dos momentos magnéticos do Mn localizados no poço quântico, o qual é muito importante para o processamento de informação em dispositivos com base no spin dos portadores de carga. Para poços quânticos tais como Cd0,81Mn0,19Te com largura do poço de 86 Å, mostrou-se que flip τ ~1 ps, o que está de acordo com resultados experimentais para essas estruturas. Este tempo de relaxação corresponde a um comprimento de difusão do spin de 30 nm para Cd0,81Mn0,19Te. Além disso, os resultados teóricos predizem que flip τ dos elétrons diminui com o aumento da fração molar de Mn, também de acordo com os experimentos, confirmando o papel predominante do espalhamento de troca elétron-Mn (espalhamento elétron-magnon) como o principal canal de relaxação para o spin do elétron. Esses resultados indicam também que flip τ decresce com o decréscimo da largura do poço quântico de acordo com os dados experimentais. Em segundo lugar, discutiu-se um modelo de transferência de energia do sistema de íons Mn na presença de um “background” de 2DEG a partir de foto cargas, o que nos permitiu obter uma boa descrição quantitativa em comparação com os dados experimentais. Determinou-se a razão de relaxação Korringa 1/T1 de íons Mn neste 2DEG em heteroestruturas CdMnTe/CdMgTe e encontrou-se que para pequenas concentrações de íons de Mn, o tempo de relaxação pode ser encontrado no intervalo 10-7 - 10-6 s. Cálculos da taxa de relaxação Korringa 1/T1 em campos magnéticos altos foram também realizados. Os resultados mostraram que 1/T1 varia com Lz -2, sendo Lz a largura do poço quântico, podendo ser aumentada com a diminuição de Lz. Devido à presença dos níveis de Landau e do gap de mobilidade spin-flip, T1 -1 − oscila com o campo magnético lembrando as oscilações da resistividade diagonal de Hall ρ xx . Esses cálculos oferecem um método de se investigar a dinâmica do íon Mn em um 2DEG e nos dá novas informações sobre o parâmetro de troca bem como informações sobre o próprio 2DEG. Em terceiro lugar, foram realizados cálculos da magneto condutividade transversa xx σ tanto para um poço quântico quasi-bi-dimensional quanto para um fio quântico, na presença de um campo magnético normal à barreira do poço, considerandose a interação elétron-magnon em nano estruturas magnéticas de Ga1-xMnxAs. Os resultados mostraram um comportamento oscilatório de xx σ quando o campo magnético é variado e que σxx, decresce gradativamente nessas estruturas com o aumento do campo magnético. _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This thesis introduces a theoretical study of spintronic properties of the electrons gas in magnetic semiconductor nanostructures obtained from diluted magnetic semiconductors (III, Mn)V and (II, Mn)VI QWs of the dynamics of the Mn ion in the presence of a background of 2DEG. Firstly, we accomplish calculations for the determination of physical quantities such as the spin-flip relaxation time among electrons s-p and the 3d electrons of the localized magnetic moments of Mn located in the quantum well which are very important for the information processing in devices with base in the conduction electron spins. For a Cd0,81Mn0,19Te of 86 Å, it was showed that the spin-flip relaxation time is of the order of 1 ps in agreement with the experimental data in these structures. This time corresponds to a spin diffusion length of 30 nm for the above sample. Moreover, the theoretical results predict that the spin-flip lifetime of electrons decrease with the increase of the molar fraction of Mn, according to the experiments confirming the predominant role of the electron-Mn exchange scattering (electron – magnon scattering) as the main relaxation channel for the electron spin. These results also indicate that the spin- flip relaxation time decreases with the decrease of the width of the quantum well which are in accordance with according with the experimental data. Secondly, it was also argued a model for energy transfer away of the Mn ions in the presence of a background of 2DEG starting from photo charges which it allowed to obtain a good quantitative description of the experimental data. We determine the Korringa relaxation rate 1/T1 of ions of Mn in this 2DEG in heterostructures of CdMnTe/CdMgTe and find that for small concentrations of Mn ions, the relaxation times are of order 10-7 - 10-6 s. Calculations of the Korringa relaxation rate 1/T1 in high magnetic fields were also accomplished. The results showed that 1/T1 varies with L-2, being L the width of the quantum well, and could be enhanced as L decreases. Due to the presence of Landau levels and of the spin-flip mobility gap, 1 1 T − oscillates with the field reminding the oscillations of Diagonal Hall Resistivity ρ xx . These calculations offer a method of investigating the dynamics of the Mn ion in a 2DEG and provide new information on the s-d exchange parameter as well as information on the property of the 2DEG themselves. Finally, calculations of the transverse magneto conductivity for a quantum well and a quantum wire in the presence of a magnetic field normal to the barrier of the well, considering the electron-magnon interaction in Ga1-xMnx As has been realized. The results showed an oscillatory behavior of xx σ as the magnetic field was varied and that xx σ decreases gradually with the increase of magnetic field.