Efecto Dresselhaus

Fenómeno en la física del estado sólido

El efecto Dresselhaus es un fenómeno de la física del estado sólido en el que la interacción espín-órbita hace que las bandas de energía se dividan. Suele estar presente en sistemas cristalinos que carecen de simetría de inversión . El efecto recibe su nombre de Gene Dresselhaus , quien descubrió esta división en 1955. ^[1]

La interacción espín-órbita es un acoplamiento relativista entre el campo eléctrico producido por un núcleo iónico y el momento dipolar resultante que surge del movimiento relativo del electrón , y su dipolo magnético intrínseco proporcional al espín del electrón . En un átomo, el acoplamiento divide débilmente un estado de energía orbital en dos estados: un estado con el espín alineado con el campo orbital y otro antialineado. En un material cristalino sólido , el movimiento de los electrones de conducción en la red puede alterarse por un efecto complementario debido al acoplamiento entre el potencial de la red y el espín del electrón. Si el material cristalino no es centrosimétrico , la asimetría en el potencial puede favorecer una orientación de espín sobre la opuesta y dividir las bandas de energía en subbandas alineadas y antialineadas con espín.

El acoplamiento espín-órbita de Rashba tiene una división de banda de energía similar, pero la asimetría proviene de la asimetría en masa de los cristales uniaxiales (por ejemplo, de tipo wurtzita ^[2] ) o de la falta de homogeneidad espacial de una interfaz o superficie. Los efectos Dresselhaus y Rashba suelen tener una fuerza similar en la división de banda de las nanoestructuras de GaAs . ^[3]

Hamiltoniano de blenda de cinc

Los materiales con estructura de blenda de cinc no son centrosimétricos (es decir, carecen de simetría de inversión). Esta asimetría de inversión en masa (BIA) obliga al hamiltoniano perturbativo a contener solo potencias impares del momento lineal . El término hamiltoniano de Dresselhaus en masa o BIA se suele escribir de esta forma:

${\displaystyle H_{\rm {D}}\propto p_{x}(p_{y}^{2}-p_{z}^{2})\sigma _{x}+p_{y}(p_{z}^{2}-p_{x}^{2})\sigma _{y}+p_{z}(p_{x}^{2}-p_{y}^{2})\sigma _{z},}$

donde , y son las matrices de Pauli relacionadas con el espín de los electrones como (aquí está la constante de Planck reducida ), y , y son los componentes del momento en las direcciones cristalográficas [100], [010] y [001], respectivamente. ^[4] ${\textstyle \sigma _{x}}$ ${\textstyle \sigma _{y}}$ ${\textstyle \sigma _{z}}$ ${\textstyle \mathbf {S} }$ ${\textstyle \mathbf {S} ={\tfrac {1}{2}}\hbar \sigma }$ ${\textstyle \hbar }$ ${\textstyle p_{x}}$ ${\textstyle p_{y}}$ ${\textstyle p_{z}}$

Al tratar nanoestructuras 2D donde la dirección del ancho o [001] es finita, el hamiltoniano de Dresselhaus se puede separar en un término lineal y uno cúbico. El hamiltoniano de Dresselhaus lineal se escribe generalmente como ${\textstyle z}$ ${\textstyle H_{\rm {D}}^{(1)}}$

${\displaystyle H_{\rm {D}}^{(1)}={\frac {\beta }{\hbar }}(\sigma _{x}p_{x}-\sigma _{y}p_{y}),}$

donde es una constante de acoplamiento. ${\textstyle \beta }$

El término cúbico de Dresselhaus se escribe como ${\textstyle H_{\rm {D}}^{(3)}}$

${\displaystyle H_{\rm {D}}^{(3)}=-{\frac {\beta }{\hbar ^{3}}}\left({\frac {d}{\pi }}\right)^{2}p_{x}p_{y}(p_{y}\sigma _{x}-p_{x}\sigma _{y}),}$

¿Dónde está el ancho del material? ${\textstyle d}$

El hamiltoniano generalmente se deriva utilizando una combinación de la teoría de perturbación k·p junto con el modelo de Kane .

Véase también

• Estructura electrónica fina
• Resonancia de espín dipolar eléctrico
• Interacción espín-órbita

Referencias

1. Dresselhaus, G. (15 de octubre de 1955). "Efectos de acoplamiento de espín y órbita en estructuras de blenda de cinc". Physical Review . 100 (2): 580–586. Código Bibliográfico :1955PhRv..100..580D. doi :10.1103/PhysRev.100.580.
2. EI Rashba y VI Sheka, Simetría de bandas de energía en cristales de wurtzita tipo II. Simetría de bandas con interacción espín-órbita incluida, Fiz. Tverd. Tela: Collected Papers, v. 2, 162, 1959. Traducción al inglés: http://iopscience.iop.org/1367-2630/17/5/050202/media/njp050202_suppdata.pdf
3. Manchon, A.; Koo, HC; Nitta, J.; Frolov, SM; Duine, RA (20 de agosto de 2015). "Nuevas perspectivas para el acoplamiento espín-órbita de Rashba". Nature Materials . 14 (9): 871–882. ​​arXiv : 1507.02408 . Código Bibliográfico :2015NatMa..14..871M. doi :10.1038/nmat4360. PMID  26288976. S2CID  24116488.
4. Roland, Winkler (2003). Efectos de acoplamiento espín-órbita en sistemas bidimensionales de electrones y huecos . Berlín: Springer. ISBN 9783540366164.OCLC 56325471  .