Nanoelectronics and spintronics with dirac materials: spin properties of graphene, topological insulators, and weyl semimetals

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.