DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Spin-Polarized Transport in Single-Electron Spin-Valve Transistors

Lindebaum, Stephan

In the present thesis electronic transport through mesoscopic spintronic devices is investigated. This is particularly interesting since such structures have already proven industrial relevance and they additionally give rise to future information technology applications. As a result of the continuing trend of miniaturization in electronics modern spintronic structures have already reached the nanometer scale. However, a further size reduction may soon be prevented by the laws of quantum mechanics. Hence conceptually new kinds of devices that take advantage of the possibilities of quantum phenomena may need to be adopted.
Prominent examples of such spintronic structures are ferromagnetic single-electron transistors (fm SETs). They rely on quantum tunneling, exploit the intrinsic electron spin, and allow for the switching and amplification of electronic signals in response to a variation of a gate voltage. Their transport behavior is governed by single-charging effects as Coulomb blockade or Coulomb oscillations. Whereas fundamental spintronic effects as spin accumulation or tunnel magnetoresistance are introduced to the structure by the embedded ferromagnetic materials.
This work focuses on a special realization of a fm SET, the so called single-electron spin-valve transistor. It consists of a metallic island that is tunnel coupled to two adjacent ferromagnetic leads and capacitively coupled to a gate electrode. Based on a diagrammatic real-time approach a theory is derived that describes sequential tunneling through this system. The Coulomb interaction on the island is taken into account nonperturbatively. In contrast to most previous works studying fm SETs we consider the general setup with noncollinear angles between the lead magnetization directions. This causes new transport properties that differ from the collinear case. For instance, there is an interaction-induced exchange field present which does not affect the flow of electric charges in the parallel and antiparallel setup. However, for noncollinear lead magnetizations it acts on the spin that is accumulated on the central island resulting in notable variations of the transport properties of the considered system.
We analyze in detail the dynamics of the accumulated island spin, the electric current, as well as the current fluctuations of the single-electron spin-valve transistor. A remarkable transport behavior evoked by the interplay of charging effects and finite spin polarization is observed. For instance, we find a high sensitivity of the accumulated island spin on the variation of the applied gate voltage allowing for controlled electrical manipulation of a macroscopic spin. Furthermore, the second derivative of the current with respect to the bias voltage is demonstrated to be a convenient tool to determine the degree of polarization of the ferromagnetic leads. Finally, we note that in our analysis an emphasis is put on the influence of the interaction-induced exchange field on the system's transport properties.

Die vorliegende Dissertation untersucht den elektronischen Transport durch mesoskopische Bauelemente aus dem Bereich der Spintronik. Dies ist von besonderem Interesse, da derartige Strukturen bereits erfolgreich industriell produziert und genutzt werden und darüber hinaus verspricht man sich von ihnen neuartige informationstechnologische Anwendungen. Hervorgerufen durch den andauernden Trend der Miniaturisierung elektrischer Komponenten haben spinelektronische Bauteile mittlerweile Strukturbreiten im Nanometerbereich erreicht. Allerdings kann man diese Verkleinerung nicht unbegrenzt fortsetzen, da auf den schon heutzutage erreichten Längenskalen die Gesetze der Quantenmechanik die momentane Funktionsweise der Bauelemente mehr und mehr beeinflussen. Daher wird es notwendig sein konzeptionell neuartige Strukturen einzuführen, die Quantenphänomene zu ihrem Vorteil nutzen.
Diesbezüglich bedeutende Beispiele sind ferromagnetische Einzelelektronentransistoren. Sie beruhen auf dem Tunneleffekt, nutzen die Eigenschaften des Elektronenspins und ermöglichen das Schalten sowie Verstärken elektrischer Signale.
Das elektronische Transportverhalten dieser Bauelemente wird durch Einzelelektroneneffekte wie die Coulombblockade oder Coulomboszillationen bestimmt, wobei zusätzliche spinelektronische Phänomene wie die Spinakkumulation und der Tunnelmagnetwiderstand durch strukturinterne magnetische Materialen hervorgerufen werden.
Diese Arbeit behandelt eine spezielle Realisierung ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren, nämlich den sogenannten Einzelelektronenspinventiltransistor. Dieser besteht aus einer metallischen Insel die über Tunnelkontakte mit zwei ferromagnetischen Zuleitungen verbunden ist. Zusätzlich ist die Insel kapazitiv an eine Gateelektrode gekoppelt. Basierend auf einem diagrammatischen Realzeit Formalismus entwickeln wir eine sequentielles Tunneln beschreibende Theorie, unter nichtstörungstheoretischer Betrachtung der Coulombwechselwirkung auf der Insel. Im Gegensatz zum Großteil der Arbeiten, die sich mit ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren beschäftigen, betrachten wir den allgemeinen Fall nichtkollinearer Magnetisierungsrichtungen der beiden Zuleitungen. Dies bewirkt das Auftauchen neuartiger Transporteigenschaften, die im kollinearen Grenzfall nicht zu Tage treten. Beispielsweise existiert im betrachteten System ein wechselwirkungsinduziertes Austauschfeld, welches den elektrischen Transport nur im Falle nichtkollinearer Magnetisierungen messbar beeinflusst.
Im Einzelnen analysieren wir das Verhalten des auf der Insel akkumulierten Spins, den elektrischen Strom durch das Bauteil sowie die zugehörigen Stromfluktuationen. Dabei beobachten wir ein anspruchsvolles Transportverhalten des Systems hervorgerufen durch das Zusammenspiel von Ladungseffekten und Spinpolarisation. Wir finden eine hohe Empfindlichkeit des Inselspins auf eine Variation der Gatespannung, was die elektrische Steuerung der induzierten Magnetisierung ermöglicht. Desweiteren identifizieren wir die zweite Ableitung des Stroms nach der angelegten Transportspannung als ein mögliches Instrument zur Bestimmung des Grades der Zuleitungspolarisierung. Abschließend sei ausdrücklich betont, dass in unserer Analyse ein wesentliches Augenmerk auf den Auswirkungen des oben erwähnten Austauschfeldes liegt.

Share and cite

Citation style:

Lindebaum, Stephan: Spin-Polarized Transport in Single-Electron Spin-Valve Transistors. 2012.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export