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Tesi etd-09062004-171855


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
Castellana, Carlo
email address
carlo.castellana@sns.it
URN
etd-09062004-171855
Title
Trasporto quantistico in strutture ibride superconduttore - ferromagnete
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE FISICHE E ASTROFISICHE
Commissione
relatore Prof. Fazio, Rosario
Parole chiave
  • spintronics
  • spin valve
  • nanotechnology
  • magnetism
  • mesoscopic superconductivity
  • hybrid nanostructures
  • quantum transport
  • computer simulations
  • disordered systems
  • tight-binding
Data inizio appello
22/10/2004;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
22/10/2044
Riassunto analitico
Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica e&#39; finalizzato<br>allo studio del trasporto quantistico in nanostrutture ibride<br>costituite da metalli superconduttori e ferromagnetici.<br><br><br>La rilevanza scientifica del tema trattato risiede nella analisi e<br>nella comprensione di come i meccanismi di trasporto elettronico siano<br>influenzati dalla contemporanea presenza della<br>superconduttivita&#39; mesoscopica e del ferromagnetismo.<br>Quando un ferromagnete si trova in prossimita&#39; di un metallo<br>superconduttore, si stabiliscono alcuni regimi di trasporto che sono<br>il risultato della competizione tra l&#39;ordine imposto dalla<br>superconduttivita&#39; e quello determinato dal magnetismo.<br>La superconduttivita&#39;, nascendo dalla rottura spontanea della<br>simmetria di gauge, richiede che due elettroni aventi spin opposto<br>(ossia che sono in uno stato di singoletto di spin) correlino i<br>loro moti e si portino nello stato di coppia di Cooper. Il<br>magnetismo, invece, avendo origine dalla rottura spontanea della<br>simmetria rotazionale nello spazio dello spin, favorisce<br>l&#39;allineamento degli spin elettronici. Ovviamente, le due richieste<br>non sono compatibili e pertanto lo stato della materia, e conseguentemente<br>le caratteristiche del trasporto elettronico, dipenderanno dalla<br>competizione tra i due tipi di ordine macroscopico.<br>Nel Capitolo 1, al fine di descrivere lo stato superconduttivo in<br>strutture ibride mesoscopiche, viene esposta la Teoria di Bogolubov -<br>de Gennes ed il Modello a Semiconduttore. Una teoria esatta (ma<br>matematicamente complessa e spesso di non facile interpretazione<br>fisica) del trasporto quantistico in strutture ibride deve<br>necessariamente far ricorso all&#39;uso delle funzioni di Green (queste<br>teorie sono state sviluppate da Gork&#39;ov, Usadel, Eilenberger, Keldysh,<br>ed altri).<br>Al contrario, le caratteristiche essenziali della Teoria di Bogolubov<br>- de Gennes e del Modello a Semiconduttore sono proprio la loro<br>semplicita&#39; formale e la possibilita&#39; di avere un&#39;interpretazione<br>fisica immediata.<br><br>La rilevanza tecnologica dello studio del trasporto quantistico<br>in strutture ibride superconduttore - ferromagnete, risiede nella<br>possibilita&#39; di progettare dispositivi basati sull&#39;utilizzo dello<br>spin elettronico. Tale tipo di ricerche si inserisce nel nuovo settore<br>della fisica degli Stati Condensati, che va sotto il nome di<br>Spintronica, ossia di ``elettronica del trasporto di spin&#39;.<br>Nel Capitolo 2 vengono presentati i temi caratteristici della ricerca<br>in Spintronica. In particolare sono discussi i principi di<br>funzionamento di alcuni dispositivi spintronici e le ricerche<br>nell&#39;ambito della spintronica a semiconduttore e di quella a<br>superconduttore.<br>Uno degli obiettivi perseguiti dalle ricerche nel settore della<br>Spintronica, e&#39; la progettazione di dispositivi con un&#39;elevata<br>Magnetoresistenza (il fenomeno dell&#39;elevata Magnetoresistenza,<br>prende il nome di Giant Magnetoresistence, GMR). <br>Quest&#39;ultima e&#39; la differenza percentuale<br>tra la conduttanza che la struttura ha nella configurazione in cui si<br>trova in presenza di un campo magnetico esterno, e quella che la<br>stessa struttura possiede in assenza di tale campo.<br><br>All&#39;interno di questo obiettivo, si inserisce lo studio presentato in<br>questa Tesi di un particolare dispositivo spintronico denominato<br>Valvola di Spin a superconduttore: questa e&#39; una nanostruttura<br>ibrida costituita da un metallo superconduttore interposto tra due<br>ferromagneti.<br>In questa Tesi lo studio della Valvola di Spin viene effettuato<br>mediante simulazioni numeriche, pertanto si rende necessaria una<br>adeguata modellizzazione della struttura stessa.<br>Nel Capitolo 3, dopo aver descritto il formalismo matematico della<br>Teoria Quantistica dello Scattering in strutture mesoscopiche a<br>temperatura nulla, viene illustrata la tecnica della Funzione di Green<br>Ricorsiva utilizzata nella modellizzazione della struttura con il<br>metodo del Tight-Binding.<br><br>Nel Capitolo 4 viene analizzato il trasporto quantistico nella Valvola<br>di Spin a superconduttore. In particolare, vengono mostrati i<br>risultati delle simulazioni numeriche, successivamente<br>interpretati alla luce del quadro teorico presentato nel Capitolo 1.<br>La predizione principale che viene fatta in questa Tesi riguarda la<br>possibilita&#39; di ottenere una GMR dell&#39;ordine del 70 % nella Valvola<br>di Spin a superconduttore, per una opportuna combinazione dei parametri<br>caratteristici del sistema (spessore dei ferromagneti, del<br>superconduttore e degli isolanti, lunghezza della struttura, campo di<br>scambio, intensita&#39; del disordine). Una GMR cosi&#39; elevata si<br>verifica a seguito dell&#39;instaurarsi di un meccanismo di trasporto basato sulla<br>trasmissione di Andreev. Questo meccanismo di trasporto <br>e&#39; il risultato<br>della coesistenza dell&#39;ordine ferromagnetico e quello superconduttivo<br>ed e&#39; pertanto caratteristico del trasporto quantistico in strutture<br>ibride superconduttore-ferromagnete.<br><br>Alla luce della predizione di un&#39;elevata GMR, in questa Tesi viene<br>proposto l&#39;utilizzo della Valvola di Spin a superconduttore come<br>unita&#39; di memoria magnetica (MRAM). Alcuni dei vantaggi<br>che una futura MRAM basata sulla Valvola di Spin a<br>superconduttore (tecnologia spintronica) offrirebbe rispetto alle<br>memorie dell&#39;attuale tecnologia elettronica sono la<br>non-volatilita&#39; dell&#39;informazione, l&#39;aumento della velocita&#39; a cui i<br>dati sono processati, la riduzione della potenza elettrica utilizzata<br>e l&#39;aumento della densita&#39; a cui i dispositivi vengono integrati.
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