mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISISmateltech-624Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYСелективность спиновых состояний в плоских квантовых кольцах в сильном магнитном полеSELECTIVITY OF SPIN STATES IN PLANAR QUANTUM RINGS IN A STRONG MAGNETIC FIELDМандельА. М.MandelArkady Mikhailovich

Мандель Аркадий Михайлович

Доцент кафедры физики

Associate Professor, Department of Physics

arkadimandel@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8566-6407ОшуркоВ. Б.OshurkoVadim Borisovich

Ошурко Вадим Борисович

Заведующий кафедрой физики

vbo08@yandex.ruКарповаЕ. Е.KarpovaElena Evgenievna

Карпова Елена Евгеньевна

Доцент кафедры физики

Associate Professor, Department of Physics

ekarpova1@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7515-8564СоломахоК. Г.SolomakhoKirill Georgievich

Соломахо Кирилл Георгиевич

Старший преподаватель кафедры физики

Senior Lecturer, Department of Physics

kirgeosol@gmail.comМосковский государственный технологический университет "СТАНКИН"РоссияMoscow State Technological University “STANKIN”Russian FederationМосковский государственный технологический университет "СТАНКИН" Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М.Прохорова РАНРоссияMoscow State Technological University “STANKIN”Russian Federation202519072025282624Copyright © Мандель А.М., Ошурко В.Б., Карпова Е.Е., Соломахо К.Г., 20252025Мандель А.М., Ошурко В.Б., Карпова Е.Е., Соломахо К.Г.Mandel A.M., Oshurko V.B., Karpova E.E., Solomakho K.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/624

Рассмотрены электронные состояния плоских тонких квантовых колец прямоугольного сечения, толщина которых h, внутренний радиус Rin и внешний Rex  связаны соотношениями ; далее мы будем называть их "квантовыми шайбами". Установлено, что такого типа узкозонные гетероструктуры в широкозонной матрице могут стать базовыми элементами для спинтронных систем. Их спектр во внешнем магнитном поле можно свести к единственному устойчивому уровню, все квантовые числа которого (спиновое в том числе) контролируются внешним полем. Это доказано как численными расчетами, так и приближенными аналитическими оценками, проясняющими механизм формирования такого состояния. Из-за сохранения незатухающего квантового тока и связанного с ним магнитного момента состояния эти более устойчивы, чем в идеальных квантовых точках с похожим спектром. Рассмотрены варианты изменения спинового состояния локализованного на шайбе электрона продольным магнитным полем.

The electronic states of flat thin quantum rings of rectangular cross section whose thickness h, inner radius Rin and outer Rex are related by the relations ; in are considered; hereinafter we will call them “quantum shims”. It is found that this type of narrow-gap heterostructures in a wide-gap matrix can become basic elements for spintronic systems. Their spectrum in an external magnetic field can be reduced to a single stable level, all quantum numbers of which (spin including) are controlled by the external field. This is proved both by numerical calculations and approximate analytical estimates, clarifying the mechanism of formation of such a state. Because of the conservation of an undamped quantum current and the associated magnetic moment, these states are more stable than in ideal quantum dots with a similar spectrum. The variants of changing the spin state of the electron localized on the puck by a longitudinal magnetic field are considered

квантовая шайбавнешнее магнитное полесостояния с управляемыми квантовыми числамиэлементы спинтронных системquantum ringexternal magnetic fieldstates with controlled quantum numberselements of spintronic systemsРоссийский Научный Фонд, договор №23-29-00559Russian Science Foundation №23-29-00559ReferencesViefers S., Koskinen P., Singha.Deo P., Manninen M. Quantum rings for beginners: energy spectra and persistent currents. //Physica E. 2004. Vol. 21, No.1, pp. 1-35.Viefers S., Koskinen P., Singha.Deo P., Manninen M. Quantum rings for beginners: energy spectra and persistent currents. //Physica E. 2004. Vol. 21, No.1, pp. 1-35.DOI: 10.1016/j.physe.2003.08.076DOI: 10.1016/j.physe.2003.08.076Мanninen M., Viefers S. and Reimann S.M. Quantum rings for beginners II: Bosons versus fermions. //Physica E. 2012. Vol. 46, pp. 119-132.Мanninen M., Viefers S. and Reimann S.M. Quantum rings for beginners II: Bosons versus fermions. //Physica E. 2012. Vol. 46, pp. 119-132.DOI: 10.1016/j.physe.2012.09.013DOI: 10.1016/j.physe.2012.09.013Csaba Daday. Coulomb and Spin-Orbit Interaction Effects in a Mesoscopic Ring. /University of Iceland. Department of Physics. Reykjavic. August 2011.Csaba Daday. Coulomb and Spin-Orbit Interaction Effects in a Mesoscopic Ring. /University of Iceland. Department of Physics. Reykjavic. August 2011.URL: https://cyberleninka.ru/article/n/coulomb-effects-on-the-spin-polarization-of-quantum-rings (дата обращения 20.10.2024)URL: https://cyberleninka.ru/article/n/coulomb-effects-on-the-spin-polarization-of-quantum-rings (accessed 20.10.2024)Baran A.V., Kudryashov V.V. Spin-Orbit Interactions in Semiconductor Quantum Ring in the Presence of Magnetic Field. //International Journal of Nanoscience. 2019. Vol. 18, Nos. 3 & 4 1940016 (4 pages)Baran A.V., Kudryashov V.V. Spin-Orbit Interactions in Semiconductor Quantum Ring in the Presence of Magnetic Field. //International Journal of Nanoscience. 2019. Vol. 18, Nos. 3 & 4 1940016 (4 pages)DOI: 10.1142/S0219581X19400167DOI: 10.1142/S0219581X19400167Kammermeier M., Seith A., Wenk P. and Schliemann J. Persistent spin textures and currents in wurtzite nanowire-based quantum structures. 2020. // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 101, p.195418Kammermeier M., Seith A., Wenk P. and Schliemann J. Persistent spin textures and currents in wurtzite nanowire-based quantum structures. 2020. // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 101, p.195418DOI: 10.1103/PhysRevB.101.195418DOI: 10.1103/PhysRevB.101.195418Li B., Magnus W. and Peeters F.M. Tunable exciton Aharonov-Bohm effect oin a quantum ring. //Journal of Physics: Conferens Series 2010. Vol. 210, In: 11th International Conference on Optics of Excitons in Confined Systems (OECS11) 7-11 September 2009, Madrid, SpainLi B., Magnus W. and Peeters F.M. Tunable exciton Aharonov-Bohm effect oin a quantum ring. //Journal of Physics: Conferens Series 2010. Vol. 210, In: 11th International Conference on Optics of Excitons in Confined Systems (OECS11) 7-11 September 2009, Madrid, SpainURL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/210/1/012030/meta (дата обращения 20.10.2024)URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/210/1/012030/meta (accessed 20.10.2024)Lia J.M. and Tamborenea P.I.. Narrow quantum rings with general Rashba and Dresselhaus spin-orbit interaction. //Physica E. 2020. Vol. 126, pp. 114419-114431.Lia J.M. and Tamborenea P.I.. Narrow quantum rings with general Rashba and Dresselhaus spin-orbit interaction. //Physica E. 2020. Vol. 126, pp. 114419-114431.DOI: 10.1016/j.physe.2020.114419DOI: 10.1016/j.physe.2020.114419Kozin V. K., Iorsh I. V., Kibis O. V. and Shelykh I. A. Periodic array of quantum rings strongly coupled to circularly polarized light as a topological insulator. //Phys. Rev. B 2018. Vol. 97, pp. 035416-035423.Kozin V. K., Iorsh I. V., Kibis O. V. and Shelykh I. A. Periodic array of quantum rings strongly coupled to circularly polarized light as a topological insulator. //Phys. Rev. B 2018. Vol. 97, pp. 035416-035423.DOI: 10.1103/PhysRevB.97.035416DOI: 10.1103/PhysRevB.97.035416De Lira F. A. G., Pereira L. F. C., Silva E.O. Study on the effects of anisotropic effective mass on electronic properties, magnetization and persistent current in semiconductor quantum ring with conical geometry. // Physica E. 2021. Vol. 132, 114760De Lira F. A. G., Pereira L. F. C., Silva E.O. Study on the effects of anisotropic effective mass on electronic properties, magnetization and persistent current in semiconductor quantum ring with conical geometry. // Physica E. 2021. Vol. 132, 114760DOI: 10.1016/j.physe.2021.114760DOI: 10.1016/j.physe.2021.114760Sullivan H.T., Cole J.H. A link between shape dependent lifetimes and thermal escape in quantum dots and rings. // Physical Review Research. 2024. Vol. 6, p. 013086Sullivan H.T., Cole J.H. A link between shape dependent lifetimes and thermal escape in quantum dots and rings. // Physical Review Research. 2024. Vol. 6, p. 013086DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.013086DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.013086Panneerselvam K., Muralidharan B., Giant excitonic magneto-optical Faraday rotation in single semimagnetic CdTe/Cd1-xMnxTe quantum ring. // Physica E. 2024. Vol.157, p. 115876Panneerselvam K., Muralidharan B., Giant excitonic magneto-optical Faraday rotation in single semimagnetic CdTe/Cd1-xMnxTe quantum ring. // Physica E. 2024. Vol.157, p. 115876DOI: 10.1016/j.physe.2023.115876DOI: 10.1016/j.physe.2023.115876Rubo Y.G., Spin-orbital effect on polariton state in traps // Phys. Rev. B, 2022. Vol.106, p.235306Rubo Y.G., Spin-orbital effect on polariton state in traps // Phys. Rev. B, 2022. Vol.106, p.235306DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235306DOI: 10.1103/PhysRevB.106.235306Planelles J., Movilla J.L., Climente J.I. Topological magnetoelectric effect in semiconductor nanostructures: Quantum wells, wires, dots, and rings. // Phys. Rev. Research. 2023. Vol. 5, p. 023119Planelles J., Movilla J.L., Climente J.I. Topological magnetoelectric effect in semiconductor nanostructures: Quantum wells, wires, dots, and rings. // Phys. Rev. Research. 2023. Vol. 5, p. 023119DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.023119DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.023119Blackman N., Genov D.A. Temperature dependent diamagnetic-paramagnetic transitions in metal/semiconductor quantum rings. // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 102, p. 245429Blackman N., Genov D.A. Temperature dependent diamagnetic-paramagnetic transitions in metal/semiconductor quantum rings. // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 102, p. 245429DOI: 10.1103/PhysRevB.102.245429DOI: 10.1103/PhysRevB.102.245429Gioia L., Zülicke U., Governale M., Winkler R. Dirac electrons in quantum rings. // Phys. Rev. B, 2018, Vol. 97, p. 205421Gioia L., Zülicke U., Governale M., Winkler R. Dirac electrons in quantum rings. // Phys. Rev. B, 2018, Vol. 97, p. 205421DOI: 10.1103/PhysRevB.97.205421DOI: 10.1103/PhysRevB.97.205421Chakraborty T., Manaselyan A., Barseghyan M. Irregular Aharonov–Bohm effect for interacting electrons in a ZnO quantum ring. // J. Phys.: Condens. Matter. 2016. Vol. 29, p. 075605Chakraborty T., Manaselyan A., Barseghyan M. Irregular Aharonov–Bohm effect for interacting electrons in a ZnO quantum ring. // J. Phys.: Condens. Matter. 2016. Vol. 29, p. 075605DOI: 10.1088/1361-648X/aa5168DOI: 10.1088/1361-648X/aa5168Леденцов В.М., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. //ФТП 32, c. 385 (1998).Ledentsov V.M., Ustinov V.M., Shchukin V.A., Kop'ev P.S., Alferov Zh.I., Bimberg D. //FTP 32, c. 385 (1998).URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/34295 (дата обращения 20.10.2024)https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/34295А.М. Mandel, V.B. Oshurko and E.E. Karpova. Renormalization of the Lande Factor and Effective Mass in Small Spherical Quantum Dots. //Journal of Communications Technology and Electronics. 2019. 64 (10), pp.1127-1134.А.М. Mandel, V.B. Oshurko and E.E. Karpova. Renormalization of the Lande Factor and Effective Mass in Small Spherical Quantum Dots. //Journal of Communications Technology and Electronics. 2019. 64 (10), pp.1127-1134.DOI: 10.1134/S1064226919100085DOI: 10.1134/S1064226919100085Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. О влиянии сильных электрического и магнитного полей на пространственную дисперсию и анизотропию оптических свойств полупроводника //Письма в ЖЭТФ. 2003. Т.78. № 4. С.253-257.Rodionov V.N., Kravtsova G.A., Mandel' A.M. On the influence of strong electric and magnetic fields on spatial dispersion and anisotropy of optical properties of semiconductor // JETP Letters. 2003. T.78. № 4. S.253-257.А.И. Базь, Я.Б. Зельдович, А.М. Переломов. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике. М.: Наука. 1966.A.I. Baz', Ya.B. Zel'dovich, A.M. Perelomov. Scattering, reactions and decays in non-relativistic quantum mechanics. M.: Nauka. 1966.Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. Ионизация из короткодействующего потенциала под действием электромагнитных полей сложной конфигурации. //Письма в ЖЭТФ. 2002. Т.75. № 8. С. 435-439.Rodionov V.N., Kravtsova G.A., Mandel' A.M. Ionization from a short-range potential under the action of electromagnetic fields of complex configuration. // JETP Letters. 2002. T.75. № 8. S. 435-439.Родионов В.Н., Кравцова Г.А., Мандель А.М. Отсутствие стабилизации квазистационарных состояний электрона в сильном магнитном поле //Докл. АН СССР. 2002. Т.386. В.6, С.753-756.Rodionov V.N., Kravtsova G.A., Mandel' A.M. Lack of stabilization of quasi-stationary states of the electron in a strong magnetic field and //Dokl. AN SSSR. 2002. T.386. V.6, S.753-756.А.М. Mandel, V.B. Oshurko and S.M. Pershin. A Thin Semiconductor Quantum Ring as an Analog of a Magnetically Controlled Bohr Atom. // Doklady Physics. 2021. 66 (9), pp.253-256.А.М. Mandel, V.B. Oshurko and S.M. Pershin. A Thin Semiconductor Quantum Ring as an Analog of a Magnetically Controlled Bohr Atom. // Doklady Physics. 2021. 66 (9), pp.253-256.DOI: 10.1134/S1028335821090020DOI: 10.1134/S1028335821090020Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their allous // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 5815Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III-V compound semiconductors and their allous // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 5815DOI: 10.1063/1.1368156 Corpus ID: 121056857DOI: 10.1063/1.1368156 Corpus ID: 121056857Алешкин В.Я., Гавриленко В.И., Иконников А.В. и др. Обменное усиление g-фактора в гетероструктурах // ФТП. 2008. Т. 42. № 7. С. 846-851.Алешкин В.Я., Гавриленко В.И., Иконников А.В. и др. Обменное усиление g-фактора в гетероструктурах // ФТП. 2008. Т. 42. № 7. С. 846-851.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.