Квантовые ямы (quantum wells) и квантовые точки (quantum dots) представляют собой наноразмерные полупроводниковые структуры, в которых электроны и дырки испытывают пространственное квантование. Эти структуры служат фундаментальной платформой для реализации спинтронических устройств, поскольку спин носителей заряда может быть эффективно контролируем и манипулирован благодаря сильной конфинементной энергийной структуре.
Определение и формирование. Квантовая яма — это тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной, помещённый между слоями с более широкой запрещенной зоной. Электрон и дырка в такой системе ограничены вдоль одной координаты, что приводит к дискретизации энергетических уровней в направлении конфинемента.
Спиновая динамика в квантовых ямах. Электронный спин в квантовой яме может сохранять свою поляризацию на времени, существенно превышающем характерное время рассеяния зарядов. Основные механизмы релаксации спина включают:
Эти механизмы определяют спиновое время жизни и его зависимость от температуры, толщины ямы и состава материала.
Манипулирование спином. В квантовых ямах эффективна реализация электрически управляемых спиновых фильтров и спиновой инжекции. Применение внешнего магнитного поля или электрического градиента вызывает спиновое прецессирование, что лежит в основе принципов работы спинтронических транзисторов.
Квантовые точки как искусственные атомы. Квантовая точка — это наноразмерная структура, ограничивающая движение носителей заряда по всем трём пространственным координатам. Вследствие трёхмерного квантования формируются дискретные уровни энергии, аналогичные атомным орбитам, что делает квантовые точки крайне удобными для исследования спиновых состояний.
Спиновые состояния в квантовых точках. Энергетические уровни в квантовой точке характеризуются спиновой вырождённостью. Основные эффекты:
Влияние взаимодействий. Взаимодействие между электронами (Coulomb blockade) и спино-орбитальное взаимодействие в малых квантовых точках существенно влияет на динамику спина. Оно позволяет реализовать долговременную спиновую когерентность, необходимую для квантовой информации.
Механизмы инжекции спина. Для квантовых ям и точек ключевым является создание спин-поляризованного тока. Методы включают:
Детекция спина. Детектирование спинового состояния реализуется через измерение спин-зависимого тока, спинового люминесцентного сигнала или эффектов предельной магнитной восприимчивости.
Силы Рашбы и Дресселяуза. В квантовых ямах и точках спиновая динамика сильно зависит от спин-орбитальных взаимодействий:
Эти эффекты определяют анизотропию спинового рассеяния и позволяют проектировать устройства со специфической ориентацией спиновой поляризации.
Квантовые ямы и точки со спиновой поляризацией являются ключевыми элементами:
Эти структуры открывают возможности для интеграции наноэлектроники с квантовой информацией и создания энергоэффективных спиновых схем.