Nanoelectronics and spintronics with dirac materials: spin properties of graphene, topological insulators, and weyl semimetals
Dirac malzemeleri ile nanoelektronik ve spintronik: grafen, topolojik yalıtkan ve weyl yarı metallerinin özellikleri
- Tez No: 680358
- Danışmanlar: Prof. Dr. İNANÇ ADAGİDELİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Dirac malzemeleri, yük taşıyıcılarının dinamiklerinin göreceli Dirac denklemi tarafından tanımlandığı sistemlerden oluşan bir yoğun madde sınıfıdır. Bu tezde bu egzotik malzemelerde, özellikle grafen, topolojik yalıtkanlar ve Weyl yarı metallerinde görülen çeşitli kuantum taşınım olaylarını araştırıyor ve bu malzemeler için bazı spintronik ve vaditronik uygulamaları öneriyoruz. Ayrıca grafen üzerinde adatomların neden olduğu spin-yörünge etkileşimine odaklanıyor ve vadi ve spin serbestlik derecelerinin birikmiş adatomlar varlığında birbirleriyle nasıl etkileştiğini araştırıyoruz. Bu nedenle, spin ve vaditronik cihazlarının tasarımında çok önemli olan vadi akımlarını malzeme dışına çıkarılabilir ve ölçülebilir spin akımlarına dönüştürmek için yöntemler araştırıyoruz. Ayrıca, üç boyutlu topolojik yalıtkanların yüzeylerinde akım ile indüklenmiş spin akümülasyonunu inceliyoruz ve bu spinleri elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılan sıradan (topolojik olmayan) malzemelere nasıl çıkaracağımızı gösteriyoruz. İki boyutlu elektron gazlarındaki geleneksel etkiden farklı olarak, elektron ve deşik serbestlik derecelerinin topolojik yalıtkan yüzeyinde karışmasının yeni spin kontrol etme yöntemlerine izin verdiğini buluyoruz. Özellikle, spinlerin kontrol edilebileceği konvansiyonel uzunluk olan spin-presesyon uzunluğundan daha küçük bölgelerde, spinleri yerel olarak elektronik kapı potansiyellerini ile kontrol etmenin bir yöntemini gösteriyoruz. Böylece, topolojik yalıtkan yüzeylerindeki elektron ve deşik serbestlik derecelerinin karışımına dayanan spin kontrolü için yeni bir şema tasarlıyoruz. Daha sonra nükleer spinler ve üç boyutlu topolojik yalıtkan yüzeylerinde bulunan serbest elektronların arasındaki aşırı ince (hyperfine) etkileşimleri inceliyoruz. Aşırı ince etkileşimlerin, yüzey durumları içindeki geçişler boyunca ileri saçılmaya ek olarak, üç boyutlu topolojik yalıtkan yüzeyinin her bir yüzünün kuantum durumları arasında spin çevirme geçişleri yoluyla elastik geri saçılma sürecini indüklediğini buluyoruz. Ayrıca, kristallerin büyüme yönünde olmayan yüzlerinde bulunan kuantum durumları için ek bir ileri saçılma mekanizması buluyoruz. Son olarak, momentum uzayında Weyl noktaların ters yönlere kaydırılması suretiyle kiralite işareti değiştirilen melez Weyl yapılarını inceliyouz. Weyl yarı metal bağlantı noktalarında, ferromıknatıslardaki dev manyetodirenç etkisine benzer şekilde yeni bir manyeto-elektrik etkisi buluyoruz. Böylelikle, yeni bir kiralite-valf aygıtı tasarlıyoruz ve Weyl yarı metallerine dayalı bu aygıtlarda manyetik ve manyetik olmayan safsızlıkların varlığına karşı bu etkinin sağlamlığını araştırıyoruz.
Özet (Çeviri)
Dirac materials are a class of condensed matter systems in which the relativistic Dirac equation describes the dynamics of charge carriers. In this thesis, we investigate various quantum transport phenomena in these exotic materials, particularly graphene, topological insulators, and Weyl semimetals, as well as propose spintronics and valleytronics applications. We also focus on spin-orbit coupling induced by adatoms on graphene, and we explore how valley and spin degrees of freedom interact with each other in the presence of deposited adatoms. We hence investigate methods to convert valley currents into extractable and measurable spin currents, which is pivotal in designing spin- and valleytronics devices. Furthermore, we study current-induced spin accumulation effect at the surfaces of three-dimensional topological insulators (3DTIs), and we show how to extract these spins into topologically trivial materials commonly used in electronic devices. We find that, unlike the corresponding conventional effect in two-dimensional electron gases, the mixing of the electron and hole degrees of freedom at the TI surface allows for additional methods of spin manipulation. In particular, we expose a way to use electrical gate potentials to locally manipulate spins in regions smaller than the spin precession length, the conventional length over which the spins can be manipulated. We devise a new scheme for spin manipulation based on the admixture of the electron and hole degrees of freedom at TI surfaces. Next, we study hyperfine interactions between nuclear spins and itinerant electrons at 3DTIs surfaces. We find that hyperfine interactions induce elastic backscattering processes through spin-flip transitions between the surface states at each plane of a 3DTI in addition to forward scattering through intra-transitions within the surface states. Moreover, we find an additional forward scattering processes for the edges of crystals that are not in the growth direction. Finally, we study Weyl heterostructures between opposing chiralities which can be obtained by shifting the nodes with specific chirality in opposing directions in momentum space. We find a new magnetoelectric effect in Weyl semimetal junctions, similar to the giant magnetoresistance effect in ferromagnets. We thus introduce a new chirality-valve device and investigate the robustness of this effect against the presence of nonmagnetic and magnetic impurities in junctions based on Weyl semimetals.
Benzer Tezler
- İki boyutlu ağır mıknatıslarda yük katkılama ve zorlanma etkisinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi ile incelenmesi
Investigation of doping and stress effects in heavy two-dimensional magnets by density functional theory
MUHAMMED EMİN DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KABAK
DOÇ. DR. AYBEY MOĞULKOÇ
- Topolojik yalıtkanların mekanik özelliklerinin nanoindentasyon yöntemi ile analizi
Nanoindentation approach on the analysis of the mechanical properties of topological insulators
UTKU UZUN
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YETMEZ
- Nanoelectronics and quantum transport of dirac particles
Dırac partiklerinin nanoelektronik ve kuantum taşınımı
SABER ROSTAMZADEH
- Silicon nanowires: Monolithic fabrication in thick silicon layers and nanomechanical testing
Silisyum nanotellerin kalin silisyum katmaninda yekpare üretimi ve nanomekaniksel testi
ZÜHAL TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA
- Yerel eğrilikli iki ve üç duvarlı karbon nanotüplerin gerilme ve stabilite analizi
Stress and stability analysis of double and triple-walled carbon nanotubes with local curvature
FATMA ÇOBAN
Doktora
Türkçe
2016
MatematikYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEB FARUK YÜKSELER
DOÇ. DR. REŞAT KÖŞKER