Topics in quantum Nanostructure Physics: Spin-Orbit effects and Far-Infrared Response

Abstract

We have investigated several properties of semiconductor electronic nanostructures. In the first part of the thesis, within the density functional theory we have addressed the ground state and the dipolar response of quantum rings. In particular, we have considered single-quantum-ring systems and also vertically and concentrically coupled quantum rings. As parameters, we have taken both the inter-ring distance and the intensity of externally applied electric and/or magnetic fields. The calculation of the addition energies and the dipolar response has allowed us to study the evolution of these properties as a function of the mentioned parameters, and to describe as well some of the properties of double-ring systems in terms of those of the single rings, especially in the limits of small (strong coupling regime) and large (weak coupling regime) ring separations.<br/><br/>Also, we have studied the effects of the Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions in quantum wells and wires submitted to magnetic fields. For the formers, we have not taken into account the electron-electron interaction in most of the calculations and we have employed an analytic formalism that has allowed us to obtain exact results for the electronic eigenstates and eigenenergies in some particular cases, as well as non-exact expressions obtained after doing some approximations that have turned out to be very accurate when compared with the numerically obtained results. For the quantum wires, we have employed a generalization of the local spindensity approximation that allows to treat systems with non-collinear spins (e.g. due to the spinorbit interaction) similarly as those systems in which one can define a common spin quantization axis. This way we have been able to compute the single-particle orbitals and also the conductance of the wire as a funcion of both the magnetic field and the spin-orbit coupling strengths, investigating the effects of the exchange-correlation interaction.<br/><br/>KEY WORDS: Nanostructures, Quantum Rings, Quantum Wires, Spin-Orbit, Far-Infrared Response

<i>Hem investigat diverses propietats de les nanoestructures electròniques de semiconductor. En primer lloc, utilitzant el formalisme de la teoria del funcional de la densitat hem estudiat l'estat fonamental i la resposta a l'infraroig llunyà d'anells quàntics. En particular, hem considerat els sistemes formats per un sol anell, i també per anells dobles acoblats verticalment i concèntricament.<br/><br/>Com a paràmetres hem pres les distàncies de separació entre els anells, i també la intensitat d'un cert camp elèctric i/o magnètic aplicat sobre els sistemes. El càlcul de les energies d'addició i de la resposta dipolar ens ha permès observar la seva evolució en funció d'aquests paràmetres, i també descriure algunes de les propietats dels anells dobles en termes de les dels anells simples, especialment en els límits de separacions molt petites (límit d'acoblament quàntic fort) i molt grans (límit d'acoblament quàntic dèbil).<br/><br/>Per altra banda, hem estudiat els efectes de les interaccions d'spin-òrbita de Rashba i de Dresselhaus en pous i fils quàntics sotmesos a camps magnètics. En el cas dels primers, s'ha omès en gairebé tots els càlculs la interacció electró-electró i s'ha emprat un formalisme anal.lític que ens ha permès obtenir resultats exactes pels autoestats i les autoenergies dels electrons en alguns casos particulars, i d'altres expressions no exactes obtingudes després de realitzar certes aproximacions, però que han resultat ser molt acurades en comparar-les amb els resultats numèrics. En el cas dels fils quàntics hem utilitzat una generalització de l'aproximació local d'spin que ens ha permès estudiar un sistema on els spins no són colineals degut a la presència de la interacció d'spin-òrbita de manera similar als sistemes en que sí ho són. Així hem calculat les energies monoparticulars i la conductància del fil en funció del camp magnètic i de la intensitat dels acoblaments de Rashba i de Dresselhaus, investigant els efectes de la interacció d'intercanvi-correlació. </i>