حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی دو گانه

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی دو گانه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی‌دو گانه

چکیده

یک سیستم نقطه دو گانه با مبدا ریز موج / میکروویو بعنوان آشکار ساز برای ردیابی شیب (گرادیان) میدان مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته است. این دو نقطه به سربهای فلزی متصل می‌شوند و جریان سورس – درین تحت تابش ریز موج برقرار می‌شود. جریان ایجاد شده به صورت تابعی از میدان مغناطیسی خارجی، اثرات تشدیدی (رزونانسی) را نشان می‌دهد که به طور مستقیم به شیب میدان محلی و اختلاف عوامل g  میان نقطه ها بستگی دارد. خواص آشکار ساز نقطه ای از نظر دما، انتظار بین نقطه ای و بزرگی (دامنه) شیب میدان بررسی می‌شوند. ما نشان داده ایم که فاکتور اصلی محدود کننده حساسیت، واهلیدگی (استراحت) اسپین است و این موضوعات با بکارگیری روش آشکارسازی اسپین تنها، مورد بحث واقع می‌شوند.

کلمات کلیدی: نقطه دوگانه، آشکارساز، رزونانس اسپین

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی‌دو گانه

۱- مقدمه

سیستم های نقطه دو گانه (DD)، نانو ساختارهای اطمینان بخشی برای کاربرد در حوزه های علوم نانوالکترونیک و اسپین ترونیک (spintronics) می‌باشند. در زمینه تولید و کنترل DD ها پیشرفتهای تجربی مهمی‌حاصل شده است. به ویژه، چرخشهای اسپینی همدوس تنها]۱[ و ایجاد در هم پیچیدگی]۲[ در نقاط کوانتومی ‌GaAs تعریف شده به صورت الکترواستاتیک، نشان داده شده اند. حسگری میدان مغناطیسی در مقیاس نانو مهم و در عین حال چالش برانگیز است]۳[ و ما در این تحقیق نشان داده ایم که DD به وسیله ریزموج  می‌تواند برای آشکارسازی شیب میدان مغناطیسی بکار برده شود.

ما دو نقطه کوانتومی ‌جفت شده با تونل تحت تابش ریز موج، که به سربهای فلزی متصل شده اند، را در نظر می‌گیریم. جریان سورس – درین به صورت تابعی از میدان مغناطیسی استاتیک، یک اثر تشدیدی الکترون – اسپین]۱[ را نشان می‌دهد که به بی‌تقارنی در شکافتگی القایی زیمان این نقاط، حساس است. این بی‌تقارنی می‌تواند از شیب میدان مغناطیسی و/ یا اختلاف کم در عوامل g این نقاط حاصل شود. ما این دو مورد را شناسایی می‌کنیم و نشان می‌دهیم که بزرگی(دامنه) بی‌تقارنی که می‌تواند ردیابی شود شدیداً به انتظار بین نقطه ای و نیز به شدت تابش ریز موج بستگی دارد. برخلاف نقطه کوانتومی‌تنها، رفتار رزونانسی (تشدیدی) حتی در دماهای خیلی بالاتر از مجموعه مقیاس های انرژی بخاطر شکافتگی زیمان روی می‌دهد زیرا انرژی باردار کردن به مقیاس انرژی مربوط است. ما نشان می‌دهیم که عامل محدود کننده اصلی برای حساسیت آشکارسازDD، واهلیدگی(استراحت) اسپینی است.

سیستمی‌که ما پیشنهاد می‌کنیم توانایی بازخوانی اسپین منفرد را نیز دارد زیرا اسپین مجاوری که با اسپینهای DD برهمکنش می‌کند یک شکافتگی زیمان مؤثر ایجاد می‌کند که اساسا در این دو نقطه متفاوت است. در مورد یک نقطه منفرد، این نکته نشان داده شده که هنگامی‌که برهمکنش نسبتا قوی است، تابش ریزموج نوار باریک یک جریان رزونانسی را ایجاد می‌کند که به حالت اسپین نزدیک(مجاور) بستگی دارد]۴[.

ما در اینجا این آنالیز را به مورد آشکارسازDD گسترش می‌دهیم و نشان می‌دهیم که این آشکارساز     می‌تواند در دماهای بالاتر از یک نقطه منفرد، عمل کند که علت این امر، استفاده از اثر انسداد پائولی   می‌باشد.

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی‌دو گانه

۲- مدل فیزیکی

سیستمDD بوسیله هامیلتونی H_DD=H+H_B توصیف می‌شود که در این رابطه H هامیلتونی دو موقعیتی توسعه یافته هابارد می‌باشد.

عملگر عددی برای نقطه }۲و۱{=i با اسپین  به صورت  تعریف   می‌شود. عملگر یک الکترون را در نقطه i با انرژی روی سایت  ایجاد می‌کند (نابود      می‌کند). t جفت شدگی تونلی میان این دو نقطه است، U انرژی باردار شدن و v انرژی کولنی بین نقطه‌ای می‌باشد. بخش هامیلتونی ناشی از میدان های مغناطیسی بکاررفته چنین می‌باشد:

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی‌دو گانه

۳- نتایج

پارامترهای داخلیDD تا انحراف انرژی صفر اصلاح می‌شوند یعنی (۲و۰)E – (1و۱)E را برابر با صفر انتخاب می‌کنیم که (mوn)E انرژی حالت باردار (mوn) با (m)n الکترون در نقطه (۲)۱ می‌باشد. شناسایی عملی این امر از طریق الکترودهای ورودی حاصل می‌شود. ما در  ارزیابی های عددی  meV5-= ، meV10-= ، meV10=U و meV5= V انتخاب می‌کنیم. انتظار بین نقطه ای است و ولتاژ  بایاس(شبکه)mV5=V_sd  به صورت متقارن با   و بکار برده می‌شود،  پتانسیل شیمیایی سرب سمت چپ(سمت راست) می‌باشد. سیستم DD برای این مجموعه پارامترها به روش انسداد- اسپین عمل می‌کند(برای ) که در این روش حالتهای سه تایی بدون واهلیدگی اسپین و ریزموجها تقریباً به طور کامل پر می‌شوند و جریان به صورت تابعی از ولتاژ شبکه (بایاس) سورس – درین متوقف می‌گردد ]۷و۸[. در یک ولتاژ بایاس ثابت، جریان حاصل از ریز موج فقط هنگامی‌برقرار می‌شود که  باشد زیرا در غیر اینصورت اسپینها در دو نقطه در زیر فضای سه تایی با همان سرعت می‌چرخند]۹و۱۰[. این مطلب، اصل اساسی آشکارساز DD است. با این وجود، حتی هنگامی‌که  است جریان نمی‌تواند برقرار شود یا خیلی کوچکتر از آنست که تشخیص داده شود و از آنچه شرایط بهینه برای آشکارساز می‌شناسیم، پایین تر است.

ما در ابتدا سیستم DD را در وضعیتی بررسی می‌کنیم که هیچ واهلیدگی اسپینی وجود ندارد و بنابراین در معادله (۴)،  تنظیم می‌کنیم. شکل ۱(الف) جریان را به صورت تابعی از شکافتگی زیمان  برای دو مقدار  هنگامی‌که  و  می‌باشد، نشان می‌دهد. در یک روش ساده سازی شده، رزونانسهای طرف چپ و طرف راست هنگامی‌روی می‌دهند که هر یک از اسپینهای روی نقاط۱ یا ۲ در اثر وجود میدان مغناطیسی نوسانی بچرخند اما به علت انتظار بین نقطه ای، موقعیت رزونانسها، هنگامی‌که اسپین ها مستقل هستند، از موقعیت مورد انتظار  کمی‌جابجا می‌شوند. چرخش اسپینهای داخل نقطه ای دو حالت الکترونی را باهم مخلوط می‌کند و این امر تونل زنی بین نقطه ای را امکانپذیر ساخته و بنابراین جریان عبور می‌کند. ضد رزونانس(ضد تشدید) در روی می‌دهد زیرا در این مقدار، انحراف از معادله (۵) می‌باشد و منجر به اشغال صفر حالت (۲و۰) شده و جریان متوقف می‌شود.

 در یک دمای ثابت، پهنای رزونانسها با فرکانس رابی و اندازه بی‌تقارنی زیمان n متناسب است. ارتفاع رزونانسها به  و n بستگی دارد. هنگامی‌که  است که انتظار بین نقطه ای امکانپذیر شده و در آن حال چرخش اسپینها روی می دهد، جریان به اوج خود می رسد. در مقابل چرخشهای اسپینی محدود غلبه یافته و جریان ضعیفی حاصل می‌شود. شکل ۱(ب) جریان را هنگامی‌که  و  است، نشان می‌دهد. در این مورد ارتفاع رزونانسها با از طریق وابستگی آن با  تغییر می‌کند و به صورت خطی با B افزایش می‌یابد. در شکل ۱(ب) برخلاف شکل ۱(الف)، ارتفاع پیکها مستقل از B است و  ثابتی را نشان می‌دهد. این امر روش ردیابی اختلاف  کم عوامل g بین دو نقطه کوانتومی را ارائه می دهد اما تشخیص اختلاف کم در عوامل g  به میدان مغناطیسی نسبتاً بالایی نیاز دارد.

 کمیت مورد علاقه، جریان نسبی است که به صورت  تعریف می‌شود. در این رابطه  جریان در رزونانس(جریان ماکزیمم) پیک سمت راست و  جریان زمینه یعنی جریان رزونانسی می‌باشد. رزونانسها هنگامی‌می‌توانند از بین بروند که جریان نسبی بزرگ باشد. شکل ۱(ج)  را به صورت تابعی از نشان می‌دهد و همانگونه که در بالا توضیح داده شد، فقط هنگامی‌تغییر می‌کند که دو نقطه عوامل g متفاوتی داشته باشند.

 یک پارامتر مهم برای آشکارساز DD جفت شدگی تونلی t است زیرا انتظار بین نقطه ای یا چرخش اسپینهای داخل نقطه ای به طور همزمان روی می‌دهند. در شکل ۲ جریان نسبی را به صورت تابعی از بی‌تقارنی زیمان هنگامی‌که است، رسم کرده ایم. در وضعیتی که   می‌باشد، تونل زنی بین نقطه ای متوقف می‌شود در حالیکه در وضعیت مخالف، اختلاط دو حالت الکترونی خیلی ضعیف است. در  جریان ماکزیمم برقرار می‌شود و بنابراین برای بهینه سازی بازده آشکار ساز، رقابتی بین جریان قابل تشخیص و شیب میدانی حداقل وجود دارد. مقادیر کوچک t بکار رفته در این تحقیق می‌توانند به صورت تجربی حاصل شوند]۹[ و در وضعیت مورد نظر ، همان الگو برای جریان حاصل می‌شود. این مطلب در شکل ۲ دیده می‌شود. چون تنظیم t به مقادیر کوچک دلخواه ممکن است دشوار باشد، با بکارگیری عامل g بزرگ، حساسیت  می‌تواند به صورت متناوب افزایش یابد.

 علاوه براین، جریان زمینه با افزایش دما، افزایش می‌یابد. این اثر از ردیابی توزیع فرمی‌ـ دیراک که الکترونهای سرب را توصیف می‌کند، حاصل می‌شود و در دماهای بالاتر افزایش می‌یابد تا منجر به باز شدن کانالهای انتقالی اضافی شود. تمام حالتها جمعیت محدودی بدست می‌آورند و باید در دینامیک ماتریس چگالی بکارگرفته شوند. این موضوع در اشغال حالتهای پایدار دیده می‌شود. در نتیجه انسداد اسپینی بتدریج افزایش می‌یابد و  می‌شود. در این حال، با داشتن ، جریان نسبی کمتر از حدود FA80 می‌باشد(شکل ۲ را ببینید). از طرف دیگر، در دماهای به اندازه کافی پایین  فقط حالتهایی وجود دارند که به وضعیت انسداد اسپینی و جریان نسبی مستقل از دما مربوط می‌باشند. انحراف جریان نسبت به دما به جفت شدگی در سربها، سرعت واهلیدگی اسپین و ولتاژ شبکه (بایاس) سورس – درین بکار رفته بستگی دارد. این انحراف ممکن است یکنواخت نباشد اما در دماهای به اندازه کافی بالا  می‌باشد و بنابراین رزونانس نمی‌تواند کاملاً برطرف شود. هنگامی‌که واهلیدگی اسپین در نظر گرفته می‌شود، جریان نسبی نیز افت می‌کند.

حسگری میدان مغناطیسی با استفاده از یک نقطه کوانتومی‌دو گانه

۴- بحث و نتیجه گیری

یک نقطه کوانتومی ‌منفرد را می‌توان برای آشکار سازی حالت اسپین مجاور که از طریق یک برهمکنش آیزینگ با اسپینهای نقطه برهمکنش می‌کند، بکار گرفت]۴[. جریانی که از طریق این نقطه برقرار می‌شود، رفتار رزونانسی را به صورت تابعی از میدان خارجی نشان می‌دهد که ناشی از چرخشهای اسپینی همدوس می‌باشد و بازخوانی یکباره حالت اسپین نزدیک (مجاور) را امکانپذیر می‌سازد. این فکر به صورت اصولی می‌تواند به سیستم DD که در آن، برهمکنش میان اسپین مجاور و اسپینهای نقطه ای برای ایجاد بی‌تقارنی مؤثر زیمان انتظار می‌رود، گسترش داده شود. آشکارسازی موفقیت‌آمیز اسپین به قدرت برهمکنش و حداقل جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری بستگی دارد. علاوه براین، از آنجایی که آشکارساز اسپینیDD به افزایش انسداد اسپینی پائولی بستگی دارد، تحقیق در دماهای بالاتری نسبت به نقطه منفرد امکانپذیر است. خواص این سیستم به طور مفصل در جایی دیگر ارائه شده اند.

 ما نشان داده ایم که DD به وسیله ریز موج می‌تواند برای آشکارسازی شیب میدان مغناطیسی بکاربرده شود. به شرط اینکه شکافتگی زیمان در دو نقطه متفاوت باشد، جریان سورس – درین به صورت تابعی از میدان مغناطیسی استاتیک، رزونانسهایی را نشان می‌دهد که به علت چرخشهای اسپینی داخل نقطه‌ای همدوس حاصل از میدان مغناطیسی نوسانی می‌باشد. بزرگی بی‌تقارنی زیمان حاصله که قابل ردیابی است به جفت شدگی تونلی بین نقطه ای که با ورودیهای الکترواستاتیک قابل تنظیم است، مربوط می‌باشد.

اختلاف عوامل g میان این دو نقطه می‌تواند از شیب میدان مغناطیسی و از طریق وابستگی آن با فرکانس ریز موج تعیین شود. رزونانسهای باقیمانده در دماهای چند کلوین برای انرژی باردارشدگی meV10، از مقیاس انرژی تنظیم شده بوسیله شکافتگی زیمان خیلی بزرگتر است و به محدوده دمایی آشکارساز نقطه کوانتومی‌منفرد تا حد زیادی گسترش می‌یابد. ما نشان داده ایم که حساسیت آشکارساز DD به واهلیدگی اسپین محدود می‌شود. در یک جریان قابل اندازه‌گیری(محسوس)، سرعتهای تونل زنی میان نقاط و سربها و نیز فرکانس رابی (Rabi) باید خیلی بزرگتر از سرعتهای واهلیدگی اسپینی باشند.