Green’s Function Approach to Quantum Phenomena in Heterostructures with Spin- Polarization and Coherence

Abstract

Kvantemekanikken som muliggjør fremtidens informasjonsteknologi

Moderne datamaskiner produserer en mengde varme som er sammenlignbart med varmen fra panelovner. Denne varmeproduksjonen, sammen med utfordringer relatert til kvantefysikken på nanometerskalaen, gjør datamaskinteknologien stadig vanskeligere å forbedre. Selv om vi ser bort fra den store etterspørselen etter stadig bedre datamaskiner, er den store varmeproduksjonen et problem, ettersom den også impliserer stort energiforbruk. Akkurat som glødelampen har blitt byttet ut med mer effektive LED-pærer er det på tide å finne mer energieffektive alternativer til dagens informasjons- og kommunikasjonsteknologier.

Spinntronikk er et alternativ som går ut på å bruke elektronets spinn til å sende og lagre informasjon. Dette er i motsetning til vanlig elektronikk, hvor informasjonen ligger i elektronets ladning. For å muliggjøre spinntronikk-basert teknologi trengs det mer grunnforskning.

Komponentene i en datamaskin er veldig små og består av sammenslåinger av forskjellige materialer med forskjellige egenskaper. Slike heterostrukturer har også vært hovedfokuset i min forskning. Jeg har delvis brukt kjent teori for å forske på nye systemer og delvis utviklet ny teori. For eksempel utviklet jeg kvasiklassisk teori som kan brukes til å modellere systemer som involverer både antiferromagneter og superledere. Hver for seg er disse materialene svært viktige innen spinntronikk, men forskning på systemer som kombinerer begge har vært mangelfull grunnet manglende teori.

En annen problemstilling jeg har jobbet med er å finne ut hvordan man teoretisk kan studere heterostrukturer som utvikler seg i tid. Spenninger og strømmer endres hele tiden inni en datamaskin, så å vite hvordan byggesteinene responderer på slike forandringer er naturligvis viktig. Dessverre er likningene som beskriver disse systemene svært vanskelige i tidsavhengige systemer. Vi fant en ny måte å løse disse likningene på. Dette tillot oss å forske på nye systemer, noen ganger med overraskende resultater. Forhåpentligvis muliggjør dette nye oppdagelser fra talentfulle forskere i fremtiden.

Green’s Function Approach to Quantum Phenomena in Heterostructures with Spin-Polarization and Coherence

Green's functions are powerful tools in theoretical condensed matter physics. They can be used to model a wide range of physical systems, including complicated heterostructures consisting of multiple materials with different types of quantum order, such as magnetism and superconductivity, and with various geometries in arbitrary external electromagnetic fields. Such systems are of special interest because when two different materials are combined in a mesoscopic structure, new physics can arise that was not present in either material separately. For example, putting a spin-singlet superconductor next to a spin-polarized ferromagnet can spawn a spin-triplet superconducting condensate that can carry spin-polarized currents with no resistance. Although quasiclassical Green's function theory can effectively model a wide range of realistic heterostructures and reproduce experimental measurements with high accuracy, there are still systems outside the scope of the theory. For instance, the equations become difficult or even unsolvable in time-dependent systems, and while ferromagnetic systems can easily be incorporated into the quasiclassical theory for normal metals, the same is not true for antiferromagnets.

In this thesis I give a thorough introduction to quasiclassical Green's function theory, starting from the very foundations of quantum mechanics. The main body of work consists of 10 research papers. These papers apply Green's functions to study heterostructures, with an emphasis on systems with spin-polarization and coherent superconducting condensates. The work is focused on, but not limited to, quasiclassical theory, and includes the development of new theory, such as quasiclassical theory for antiferromagnetic systems and approaches to studying time-dependent phenomena using quasiclassical Green's functions.