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Possanner, Stefan. Modeling and simulation of spin-polarized transport at the kinetic and diffusive level

Possanner, Stefan (2012). Modeling and simulation of spin-polarized transport at the kinetic and diffusive level.

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Résumé en francais

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des phénomènes de mouvement de l'électron induits par le spin. Ces phénomènes aparaissent lorsqu'un électron se déplace à travers un environnement (partiellement) magnétique, de telle sorte que son moment magnétique (spin) peut interagir avec l'environnement. La nature quantique pure du spin nécessite des modèles de transport qui traitent des effets comme la cohérence quantique, l'intrication (corrélation) et la dissipation quantique. Sur le niveau méso- et macroscopique, il n'est pas encore clair dans quelles circonstances ces effets quantiques du spin peut transparaitre. Le but de ce travail est, d'une part, de dériver des nouveaux modèles de transport de spin à partir des principes de base et, d'autre part, de développer des algorithmes numériques qui permettent de trouver une solution de ces modèles. Cette thèse se compose de quatre parties. La première partie introductive contient un aperçu des concepts fondamentaux liés au transport polarisé en spin, tels que la magnéto-résistance géante (GMR), le couple de transfert de spin dans les multi-couches magnétiques et le caractère matriciel des équations de transport qui prennent en compte la cohérence de spin. L'accent est mis sur la modélisation du couple de transfert de spin, qui représente l'intersection de ces concepts. En particulier, nous considérons pour sa description le modèle diffusif de Zhang-Levy-Fert (ZLF) qui se compose de l'équation de Landau-Lifshitz et d'une équation de diffusion matricielle pour le spin. Un schéma de différences finies est développé pour résoudre numériquement ce système non-linéaire dans des structures multi-couches. Le modèle est testé par comparaison des résultats obtenus aux données expérimentales récentes. Les parties deux et trois forment le noyau thématique de cette thèse. Dans la deuxième partie nous proposons une équation de Boltzmann matricielle qui permet la description de la cohérence de spin sur le niveau cinétique. La nouveauté est un opérateur de collision dans lequel les taux de transition de la quantité de mouvement sont modélisés par une matrice 2x2 hermitienne; par conséquent, les libre parcours moyens des électrons spin-up et spin-down sont représentés par les valeurs propres de cette matrice de scattering. Après une dérivation formelle de l'équation de Vlasov matricielle à partir de l'équation de Wigner, l'équation cinétique qui suit est étudiée en ce qui concerne l'existence, l'unicité et la positivé d'une solution. En outre, le nouveau opérateur de collision est étudié rigoureusement et la limite de diffusion tc -> 0, correspondant à l'annulation de la moyenne de temps de scattering, est effectué. Les équations de drift-diffusion matricielle qui sont obtenues représentent une amélioration par rapport au modèle traité dans la première partie. Ce dernier est obtenu dans la limite ou la différence entre les deux valeurs propres de la matrice de scattering va disparaître. La troisième partie est consacrée à l'obtention de l'opérateur de collision matricielle introduit auparavant, à partir des principes quantiques. Pour cela, nous augmentons l'équation de von Neumann d'un système composite par un terme dissipatif qui fait tendre l'opérateur de densité totale vers l'approximation de Born. En vertu de la prémisse que la relaxation est le processus dominant, on obtient une hiérarchie d'équations non-Markoviennes. Celles-ci découlent d'une expansion de l'opérateur de densité en termes de tr, le temps de relaxation. Dans la limite de Born-Markov, tr -> 0, l'équation de Lindblad est récupérée. Elle a la même structure que l'opérateur de collision proposé dans la deuxième partie. Cependant, l'équation de Lindblad est encore une équation microscopique; donc la prochaine étape serait de procéder à la limite semi-classique du résultat obtenu.Dans la quatrième partie nous procédons à une étude numérique d'un modèle quantique-diffusif de spin qui décrit le transport dans un gaz d'électrons bidimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. Ce modèle suppose que les électrons sont dans un état d'équilibre quantique sous la forme d'un opérateur de Maxwell. Nous présentons deux discrétisations espace-temps du modèle couplé par l'équation de Poisson. Dans une première étape on applique une discrétisation en temps et on montre que les systèmes sont bien définis. Ceux-ci sont basés sur un formalisme fonctionnel pour traiter les relations non-locales entre les densités de spin. Nous utilisons ensuite des discrétisations espace-temps pour simuler la dynamique dans une géométrie typique d'un transistor. Les approximations différences finies sont du premier ordre en temps et du second ordre en espace. Les fonctionnelles discrètes sont minimisée à l'aide d'un algorithme du gradient conjugué et la méthode de Newton est appliquée afin de trouver les minima dans la direction désirée.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Degond, Pierre
Schuerrer, Ferdinand
Ecole doctorale:Mathématiques, informatique, télécommunications de Toulouse (MITT)
laboratoire/Unité de recherche :Institut de Mathématiques de Toulouse (IMT), UMR 5219
Mots-clés libres :Spintronics - Landau-Lifshitz equation - Matrix-Boltzmann equation - Diffusion limit - Spin-polarized transport - composite quantum systems - Lindblad master equation - Rashba spin-orbit coupling
Sujets :Mathématiques
Déposé le :07 Jan 2013 11:03