Nieliniowe Efekty Magnetotransportowe w Izolatorach Topologicznych

Abstract

Niniejsza rozprawa opisuje obecnie kluczowe dla spintroniki zjawiska transportowe, koncentrując się na biliniowym magnetooporze (MO) i planarnym efekcie Halla (PEH) w izolatorach topologicznych (IT). Na początku rozprawy wprowadzono podstawowe koncepcje dotyczące IT, w tym efekt przyszpilenia spin-pęd (ang. ‘spin-momentum locking’) oraz efekt Rashby. Następnie opisana została indukowana prądem polaryzacja spinowa oraz indukowane sprzężeniem spin-orbita efekty Halla. Rozdział 3 omawia różne typy MO i wprowadza do tematyki biliniowego MO, a więc efektu, w którym MO skaluje się liniowo z polami magnetycznym i elektrycznym. W rozdziale 4 omówiony jest PEH, który obserwujemy w obecności pola magnetycznego zorientowanego w płaszczyźnie układu, w przeciwieństwie do zwykłego efektu Halla, w którym pole magnetyczne zorientowane prostopadle do powierzchni układu. Następnie, stosując zaawansowane techniki teoretyczne, takie jak metoda funkcji Greena i diagramowy rachunek zaburzeń, wyjaśniono podstawowy fizyczny mechanizm biliniowego MO i nieliniowego PEH dla stanów powierzchnionych w trójwymiarowych IT. Rozprawa opiera się na sformułowaniu opisu teoretycznego dla obu zjawisk w przypadku, gdy w układzie znajdują się domieszki, które zawierają sprzężenie spin-orbita. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość wyznaczenia z danych pomiarowych pewnych parametrów charakteryzujących badany układ. This thesis is focused on transport phenomena that are currently important for spintronics. It focuses on the bilinear magnetoresistance (MR) and nonlinear planar Hall effect (PHE) in topological insulators (TIs). In the beginning, the fundamental concepts of TIs are introduced, including spin-momentum locking, spin-orbit coupling, and the Rashba effect. Next, the current-induced spin polarization and spin-orbit-driven Hall effects are introduced. Chapter 3 describes the general theory of MR and reviews various types of MR. Here, the bilinear MR, i.e., the MR effect that scales linearly with both external magnetic and electric fields, is introduced. Chapter 4 discusses PHE arising due to an in-plane magnetic field, unlike the ordinary Hall effect that arises in the presence of a magnetic field perpendicular to the plane of the system. Then, by employing advanced theoretical techniques based on Green’s functions and diagrammatic perturbation theory, the bilinear MR and nonlinear PHE in surface states of 3D TIs are described. The thesis also describes a new mechanism that leads to these phenomena and is related to scattering on spin-orbital impurities. The results obtained for the bilinear MR and nonlinear PHE indicate the possibility of determining material constants, such as the Fermi wave vector and spin-orbit coupling parameter, by simple magnetotransport measurements