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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
Supervisors
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' finalizzato
allo studio del trasporto quantistico in nanostrutture ibride
costituite da metalli superconduttori e ferromagnetici.


La rilevanza scientifica del tema trattato risiede nella analisi e
nella comprensione di come i meccanismi di trasporto elettronico siano
influenzati dalla contemporanea presenza della
superconduttivita' mesoscopica e del ferromagnetismo.
Quando un ferromagnete si trova in prossimita' di un metallo
superconduttore, si stabiliscono alcuni regimi di trasporto che sono
il risultato della competizione tra l'ordine imposto dalla
superconduttivita' e quello determinato dal magnetismo.
La superconduttivita', nascendo dalla rottura spontanea della
simmetria di gauge, richiede che due elettroni aventi spin opposto
(ossia che sono in uno stato di singoletto di spin) correlino i
loro moti e si portino nello stato di coppia di Cooper. Il
magnetismo, invece, avendo origine dalla rottura spontanea della
simmetria rotazionale nello spazio dello spin, favorisce
l'allineamento degli spin elettronici. Ovviamente, le due richieste
non sono compatibili e pertanto lo stato della materia, e conseguentemente
le caratteristiche del trasporto elettronico, dipenderanno dalla
competizione tra i due tipi di ordine macroscopico.
Nel Capitolo 1, al fine di descrivere lo stato superconduttivo in
strutture ibride mesoscopiche, viene esposta la Teoria di Bogolubov -
de Gennes ed il Modello a Semiconduttore. Una teoria esatta (ma
matematicamente complessa e spesso di non facile interpretazione
fisica) del trasporto quantistico in strutture ibride deve
necessariamente far ricorso all'uso delle funzioni di Green (queste
teorie sono state sviluppate da Gork'ov, Usadel, Eilenberger, Keldysh,
ed altri).
Al contrario, le caratteristiche essenziali della Teoria di Bogolubov
- de Gennes e del Modello a Semiconduttore sono proprio la loro
semplicita' formale e la possibilita' di avere un'interpretazione
fisica immediata.

La rilevanza tecnologica dello studio del trasporto quantistico
in strutture ibride superconduttore - ferromagnete, risiede nella
possibilita' di progettare dispositivi basati sull'utilizzo dello
spin elettronico. Tale tipo di ricerche si inserisce nel nuovo settore
della fisica degli Stati Condensati, che va sotto il nome di
Spintronica, ossia di ``elettronica del trasporto di spin'.
Nel Capitolo 2 vengono presentati i temi caratteristici della ricerca
in Spintronica. In particolare sono discussi i principi di
funzionamento di alcuni dispositivi spintronici e le ricerche
nell'ambito della spintronica a semiconduttore e di quella a
superconduttore.
Uno degli obiettivi perseguiti dalle ricerche nel settore della
Spintronica, e' la progettazione di dispositivi con un'elevata
Magnetoresistenza (il fenomeno dell'elevata Magnetoresistenza,
prende il nome di Giant Magnetoresistence, GMR).
Quest'ultima e' la differenza percentuale
tra la conduttanza che la struttura ha nella configurazione in cui si
trova in presenza di un campo magnetico esterno, e quella che la
stessa struttura possiede in assenza di tale campo.

All'interno di questo obiettivo, si inserisce lo studio presentato in
questa Tesi di un particolare dispositivo spintronico denominato
Valvola di Spin a superconduttore: questa e' una nanostruttura
ibrida costituita da un metallo superconduttore interposto tra due
ferromagneti.
In questa Tesi lo studio della Valvola di Spin viene effettuato
mediante simulazioni numeriche, pertanto si rende necessaria una
adeguata modellizzazione della struttura stessa.
Nel Capitolo 3, dopo aver descritto il formalismo matematico della
Teoria Quantistica dello Scattering in strutture mesoscopiche a
temperatura nulla, viene illustrata la tecnica della Funzione di Green
Ricorsiva utilizzata nella modellizzazione della struttura con il
metodo del Tight-Binding.

Nel Capitolo 4 viene analizzato il trasporto quantistico nella Valvola
di Spin a superconduttore. In particolare, vengono mostrati i
risultati delle simulazioni numeriche, successivamente
interpretati alla luce del quadro teorico presentato nel Capitolo 1.
La predizione principale che viene fatta in questa Tesi riguarda la
possibilita' di ottenere una GMR dell'ordine del 70 % nella Valvola
di Spin a superconduttore, per una opportuna combinazione dei parametri
caratteristici del sistema (spessore dei ferromagneti, del
superconduttore e degli isolanti, lunghezza della struttura, campo di
scambio, intensita' del disordine). Una GMR cosi' elevata si
verifica a seguito dell'instaurarsi di un meccanismo di trasporto basato sulla
trasmissione di Andreev. Questo meccanismo di trasporto
e' il risultato
della coesistenza dell'ordine ferromagnetico e quello superconduttivo
ed e' pertanto caratteristico del trasporto quantistico in strutture
ibride superconduttore-ferromagnete.

Alla luce della predizione di un'elevata GMR, in questa Tesi viene
proposto l'utilizzo della Valvola di Spin a superconduttore come
unita' di memoria magnetica (MRAM). Alcuni dei vantaggi
che una futura MRAM basata sulla Valvola di Spin a
superconduttore (tecnologia spintronica) offrirebbe rispetto alle
memorie dell'attuale tecnologia elettronica sono la
non-volatilita' dell'informazione, l'aumento della velocita' a cui i
dati sono processati, la riduzione della potenza elettrica utilizzata
e l'aumento della densita' a cui i dispositivi vengono integrati.
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