Hyperfine and spin-orbit interactions in semiconductor nanostructures

Philippopoulos, Pericles; Philippopoulos, Pericles

Thesis

Hyperfine and spin-orbit interactions in semiconductor nanostructures

Public Deposited

Analytics

Download PDF

Creator

Philippopoulos, Pericles

Contributors

William Coish (Supervisor)

Abstract

French

La compréhension des interactions hyperfines et spin-orbite est importante pour, par exemple, le traitement de l'information quantique avec les qubits de spin. Dans cette thèse, nous étudions ces interactions dans diverses nanostructures de semi-conducteurs. Bien que les méthodes développées ici aient été appliquées à des nanostructures spécifiques, elles peuvent être généralisées pour comprendre les interactions (hyperfines, spin-orbite et potentiellement d'autres) dans d'autres systèmes et/ou matériaux. Cette thèse comprend un chapitre d'introduction dans lequel nous dérivons les interactions hyperfines et de spin-orbite de l'équation de Dirac et discutons des principaux outils théoriques utilisés tout au long du texte, la théorie k.p et la théorie de la fonctionnelle de la densité. Dans le chapitre suivant, nous calculons les couplages hyperfins pour les électrons et les trous dans le GaAs et le silicium par le biais des premiers principes de la théorie de la fonctionnelle de la densité.Nos résultats sont conformes aux mesures du Knight-shift pour les électrons. Pour les trous, les résultats expérimentaux sont encore limités, et une comparaison directe avec l'expérience n'est pas possible. Dans le troisième chapitre, nous mettons en relation la dynamique d'un spin de trou après une séquence d'impulsions d'écho de spin avec le couplage hyperfin du trou. En particulier, nous démontrons comment les couplages hyperfins des trous peuvent être déterminés à partir des mesures des modulations de l'enveloppe de l'écho de spin du trou. Nous appliquons ce concept à un accepteur de bore dans le silicium, où la valeur du couplage hyperfin demeure une question ouverte. Nous montrons que des mesures directes de couplages hyperfins accepteur de bore peuvent être obtenues en modifiant la direction du champ magnétique appliqué dans les expériences existantes. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous étendons la théorie k.p au-delà de l'approximation de la fonction d'enveloppe. Ce faisant, nous trouvons un nouveau couplage spin-orbite `dipolaire' à trous lourds dans des puits quantiques asymétriques de semi-conducteurs III-V. Ce couplage spin-orbite est paramétré par l'élément de matrice électrique-dipôle à trous lourds et à trous légers. Nous calculons cet élément de matrice et démontrons qu'en GaAs, le couplage spin-orbite dipolaire peut représenter une partie significative du couplage spin-orbite Dresselhaus linéaire

English

Understanding the hyperfine and spin-orbit interactions is important for e.g. quantum information processing with spin qubits. In this thesis, we investigate these interactions in various semiconductor nanostructures. While the methods developed here have been applied to specific nanostructures, they can be generalized to understand interactions (hyperfine, spin-orbit, and potentially others) in other systems and/or materials. This thesis includes an introductory chapter where we derive the hyperfine and spin-orbit interactions from the Dirac equation and discuss the main theoretical tools used throughout the text, k.p theory and density-functional theory. In the succeeding chapter, we calculate the hyperfine couplings for electrons and holes in GaAs and silicon through first-principles density-functional theory. Our results are consistent with Knight-shift measurements for electrons. For holes, experimental results are still limited and a direct comparison to experiment is not possible. In the third chapter, we relate the dynamics of a hole spin after a spin echo pulse sequence to the hole hyperfine coupling. In particular, we demonstrate how the hole hyperfine couplings can be determined from measurements of hole spin echo envelope modulations. We apply this concept to a boron acceptor in silicon, where the value of the hyperfine coupling remains an open question. We show that direct measurements of boron-acceptor hyperfine couplings can be obtained by modifying the direction of the applied magnetic field in existing experiments. Finally, in the fourth chapter, we extend k.p theory beyond the envelope function approximation. In doing so, we find a novel `dipolar' heavy-hole spin-orbit coupling in III-V semiconductor asymmetric quantum wells. This spin-orbit coupling is parametrized by the heavy-hole/light-hole electric-dipole matrix element. We calculate this matrix element and show that in GaAs, the dipolar spin-orbit coupling can represent a significant portion of the linear Dresselhaus spin-orbit coupling

Subject