TRASPORTO TERMOELETTRICO SPIN-SELETTIVO IN STRUTTURE IBRIDE SINIS

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La nanoelettronica studia le proprietà dei gas elettronici presenti all'interno di materiali di dimensioni tipiche che vanno da qualche decina a qualche centinaia di nm. A queste scale di lunghezza è possibile investigare proprietà inusuali dei gas elettronici e possono essere realizzate situazioni del tutto particolari, molto diverse da quelle comunemente osservate in sistemi di dimensioni macroscopiche, in quanto gli elettroni manifestano le proprie caratteristiche quantomeccaniche. Tipicamente nella nanoelettronica le temperature di interesse sono criogeniche (dell'ordine o minore di 1K). Assemblando materiali con diverse proprietà, quali superconduttori, semiconduttori, metalli normali, isolanti e ferromagneti, è possibile costruire nanostrutture in cui le proprietà dei singoli costituenti vengono adoperate per realizzare situazioni fisiche esotiche. Un'effetto particolarmente interessante ottenibile nelle nanostrutture è il non-equilibrio termodinamico elettronico. Infatti le temperature criogeniche e le dimensioni ridotte dei costituenti, permettono di poter sopprimere i vari tipi di interazione a cui sono soggetti gli elettroni e quindi impediscono il raggiungimento dell'equilibrio termodinamico. Altri effetti interessanti possono manifestarsi in presenza di campi magnetici, in quanto questi possono modificare le proprietà dello stato superconduttivo. In questa tesi analizziamo una struttura Superconduttore/Isolante/Metallo normale/Isolante/Superconduttore (SINIS) in presenza di campi magnetici localizzati sui superconduttori. In particolare siamo interessati alle proprietà del gas elettronico all'interno della regione N. Le dimensioni mesoscopiche della regione N permettono di portare il gas elettronico fuori dall'equilibrio termodinamico e la presenza dei campi magnetici localizzati sui superconduttori consente di manipolare spin selettivamente la funzione di distribuzione degli elettroni. I risultati originali di questo lavoro di tesi risiedono nell'aver mostrato che le due popolazioni di spin si comportano distintamente all'interno della regione N della struttura SINIS. Nella configurazione parallela dei campi (theta = 0) le temperature efficaci delle due popolazioni sono uguali mentre i potenziali chimici hanno comportamento diverso. Nella situazione opposta (theta = pi greco), le due popolazioni hanno stesso potenziale chimico ma temperature diverse. Nelle situazioni intermedie le due popolazioni mostrano appunto situazioni intermedie, cioè ci sono differenze sia nella temperatura che nel potenziale chimico efficaci. Del tutto originale è anche il dispositivo proposto per la generazione di correnti spin-polarizzate. Infatti sfruttando la configurazione (theta = pi) siamo riusciti ad ottenere correnti di carica spin-polarizzate tra la regione N della struttura SINIS ed un ulteriore elettrodo superconduttivo. Il trasporto di carica avviene in maniera termoelettrica, in quanto sfrutta le diverse temperature delle popolazioni di spin up e down. La tesi è così organizzata: Nel capitolo 1 introduciamo la teoria BCS della superconduttività, che utilizziamo per descrivere la densità degli stati dei superconduttori immersi in campo magnetico; analizziamo le proprietà della giunzione NIS (la struttura SINIS è composta da due giunzioni NIS con la regione N in comune) studiandone le proprietà di trasporto. Nel capitolo 2 descriviamo lo stato di non equilibrio termodinamico di un gas elettronico, partendo dallo stato di equilibrio e generalizzando i concetti di temperatura e potenziale chimico per il caso del non equilibrio. Ricaviamo le equazioni che permettono di ottenere la temperatura ed il potenziale chimico efficaci, utilizzate per descrivere la regione N della struttura SINIS. Nel capitolo 3 analizziamo la struttura SINIS con campi magnetici localizzati sui superconduttori, ricavando le diverse funzioni di distribuzione per le due popolazioni di spin all'interno della regione N, studiandone il comportamento al variare dell'angolo relativo (theta) tra i due campi. Dalle funzioni di distribuzione ricaviamo le temperature ed i potenziali chimici efficaci relativamente alle due popolazioni di spin. Utilizziamo la configurazione antiparallela dei campi (theta = pi), per generare correnti spin-polarizzate tra la regione N della struttura e un ulteriore elettrodo superconduttivo. In appendice mostriamo il formalismo utilizzato comunemente per la descrizione dettagliata dei processi di interazione elettronica presenti all'interno di fili mesoscopici di metallo normale.