Resonant tunneling effects in semiconductor heterostructures

The thesis is devoted to a theoretical study of resonant tunneling phenomena in semiconductor heterostructures and nanostructures. It considers several problems relevant to modern solid state physics. Namely these are tunneling between 2D electron layers with spin-orbit interaction, tunnel injection into molecular solid material, resonant tunnel coupling of a bound state with continuum and resonant indirect exchange interaction mediated by a remote conducting channel. A manifestation of spin-orbit interaction in the tunneling between two 2D electron layers is considered. General expression is obtained for the tunneling current with account of Rashba and Dresselhaus types of spin-orbit interaction and elastic scattering. It is demonstrated that the tunneling conductance is very sensitive to relation between Rashba and Dresselhaus contributions and opens possibility to determine the spin-orbit interaction parameters and electron quantum lifetime in direct tunneling experiments with no external magnetic field applied. A microscopic mechanism of hole injection from metallic electrode into organic molecular solid (OMS) in high electric field is proposed for the case when the molecules ionization energy exceeds work function of the metal. It is shown that the main contribution to the injection current comes from direct isoenergetic transitions from localized states in OMS to empty states in the metal. Strong dependence of the injection current on applied voltage originates from variation of the number of empty states available in the metal rather than from distortion of the interface barrier. A theory of tunnel coupling between an impurity bound state and the 2D delocalized states in the quantum well (QW) is developed. The problem is formulated in terms of Anderson-Fano model as configuration interaction between the carrier bound state at the impurity and the continuum of delocalized states in the QW. An effect of this interaction on the interband optical transitions in the QW is analyzed. The results are discussed regarding the series of experiments on the GaAs structures with a -Mn layer. A new mechanism of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor heterosructures is considered, namely the resonant enhancement of indirect exchange interaction between paramagnetic centers via a spatially separated conducting channel. The underlying physical model is similar to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction; however, an important difference relevant to the low-dimensional structures is a resonant hybridization of a bound state at the paramagnetic ion with the continuum of delocalized states in the conducting channel. An approach is developed, which unlike RKKY is not based on the perturbation theory and demonstrates that the resonant hybridization leads to a strong enhancement of the indirect exchange. This finding is discussed in the context of the known experimental data supporting the phenomenon.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Galvanomagnetic Phenomena in Ga1_xMnxAs

In this work temperature dependences of resistivity in zero field have been obtained for epitaxially grown Ga1_xMnxAs thin films with 6 % and 8 % Mn content in 50 300 K temperature range. Decrease of resistivity has been observed. Negative magnetoresistance has been explained by empirical spin dependent hopping model. Hall effect has been studied and anomalous Hall effect, inherent to ferromagnetic materials, has been observed. Both normal and anomalous Hall coefficients have been calculated from experimental data, as well as hole densities. Activation energy of impurity level has been estimated.

Ennakoivan Bluetooth -verkon hyödyntäminen paikkatietoon pohjautuvan opastusjärjestelmän toteutuksessa

Tekniikan kehitys ja elämänrytmin kiihtyminen ajaa eteenpäin sekä tarvetta että mahdollisuuksia toteuttaahenkilökohtaisia opastusjärjestelmiä. Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat mahdollistavat erilaisten paikkasidonnaisten palveluiden, kuten opastusjärjestelmien toteuttamisen kohtuullisilla kustannuksilla. Markkinoilla olevista järjestelmistä sisätiloihin sijoittuvaan reaaliaikaiseen opastukseen soveltuvaa järjestelmää on vaikea löytää ja useimmat niistä hyödyntävät WLAN -tekniikkaa, joka ei ole kovin laajasti tuettuna matkapuhelimen kaltaisissa kannettavissa päätelaitteissa. Tässä työssä tuodaan esille Bluetooth -tekniikalla toteutettavien reaaliaikaisten järjestelmien ongelmia ja esitellään yksi ratkaisumalli. Toimintaa vaikeuttaa lähinnä pitkä yhteyden muodostumisaika, joka koostuu verkon laitteiden hakemiseen kuluvasta pitkästä vaikeasti kestoltaan arvioitavasta ajasta ja valittuun kohteeseen yhteyden muodostamiseen kuluneesta ajasta. Toteutetussa Bluetooth -opastusjärjestelmässä opastettavien laitteiden hakeminen liityntäpistettä vaihdettaessa on voitu jättää pois, koska yhteyden muodostamiseen vaaditut tiedot välitetään liityntäpisteille kiinteän Ethernet -verkon välityksellä. Työntuloksena syntyneen opastusjärjestelmän käyttökokemukset osoittavat opastusverkon suunnittelun olevan haastava tehtävä, mutta verkon toimintakuntoon saattamisen jälkeen järjestelmän suorituskykyyn saadaan huomattava parannus. Demonstraatiototeutus rajoittaa käytettävän laitteiston Linux-pohjaisiin järjestelmiin, vaikka laajemman käyttöönoton varmistamiseksi järjestelmä tulisi tehdä siirrettäväksiesimerkiksi Symbian -alustalle.

Langattoman tiedonsiirron hyödyntäminen kaukolämpöjärjestelmän hallinnassa

Langattomien tiedonsiirtotekniikoiden kehittyessä mielenkiinto niiden soveltamiseen teollisuudessa on kasvanut. Langattoman tiedonsiirron avulla voidaan korvata perinteiset kaapeliratkaisut ja samalla mahdollistaa uusia, lisäarvoa toiminnalle tuovia sovelluksia. Tavoitteena on kustannussäästöjen lisäksi tuotannon tehostaminen paremman tiedonkeruun ja joustavamman käyttöympäristön avulla. Kaukolämpöjärjestelmän osien väliset etäisyydet ovat useimmiten niin pitkiä, ettei lyhyen kantaman langattomia tekniikoita voida hyödyntää. Tämän työn perusteella realistisina vaihtoehtoina ovat toistaiseksi yleisten matkapuhelinverkkojen hyödyntäminen sekä radiolinkit, mutta tulevaisuudessa uudet langattomat verkkotekniikat voivat mahdollistaa ulkopuolisista operaattoreista riippumattoman mobiilin tiedonsiirtojärjestelmän toteuttamisen koko kaukolämpöjärjestelmän alueelle. Työn aikana havaittiin myös, että uusien sovellusalueiden kanssa on vielä entistäkin tärkeämpää kiinnittää huomiota huolelliseen suunnitteluun, kustannuslaskelmiin sekä tietoturvaan, jotta voidaan toteuttaa luotettava, edullinen ja toimivalangaton tiedonsiirtojärjestelmä.

The synchronization of personal information between mobile devices and online services by using SyncML

Monet henkilökohtaiset mobiililaitteet tarjoavat mahdollisuuden tallentaa henkilötietoja ja mahdollisuuden lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntämiseen. Vastaavasti henkilötietoja käyttävien tai vaativien verkkopalveluiden määrä on kasvussa. Mobiililaitteisiin tallennetut henkilötiedot tarjoavat potentiaalisen keinon välttää samojen henkilötietojen toistuva käsinsyöttö erilaisiin verkkopalveluihin ja keskitettyyn ajantasallapitoon. Tässä työssä käydään läpi ratkaisumalli henkilökohtaisen mobiililaitteen ja verkkopalveluiden välillä tapahtuvaan henkilötietojen siirtoon ja synkronointiin. Malli pohjautuu selainlaajennukseen, joka voi pyytää sekä selaimessa auki olevalta verkkopalvelun sivulta että mobiililta päätelaitteelta senhetkiset henkilötiedot ja synkronoida ne. Jo olemassaolevia henkilötietojen hallintaa helpottavia ratkaisuja käydään läpi arvioiden käyttökelpoisuutta tämänkaltaisiin tarpeisiin. Ratkaisumallin kannalta olennaiset tekniikat ja standardit, erityisesti Bluetooth ja SyncML, esitellään. Ratkaisumallin arkkitehtuuri käydään korkealla tasolla läpi ja esitellään toteutuksen yksityiskohtia. Tuloksena on periaatteeltaan kelvollinen henkilökohtaisten tietojen synkronointijärjestelmä, jonka toteutusta nykyisten mobiilien päätelaitteiden toiminnallisuus jossain määrin hankaloittaa.

Collecting Transaction Data in a Fourth Generation Mobile Network

Tässä diplomityössä on oletettu että neljännen sukupolven mobiiliverkko on saumaton yhdistelmä olemassa olevia toisen ja kolmannen sukupolven langattomia verkkoja sekä lyhyen kantaman WLAN- ja Bluetooth-radiotekniikoita. Näiden tekniikoiden on myös oletettu olevan niin yhteensopivia ettei käyttäjä havaitse saanti verkon muuttumista. Työ esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkkoihin liittyvien tärkeimpien langattomien tekniikoiden arkkitehtuurin ja perustoiminta-periaatteet. Työ kuvaa eri tekniikoita ja käytäntöjä tiedon mittaamiseen ja keräämiseen. Saatuja transaktiomittauksia voidaan käyttää tarjottaessa erilaistettuja palvelutasoja sekä verkko- ja palvelukapasiteetin optimoimisessa. Lisäksi työssä esitellään Internet Business Information Manager joka on ohjelmistokehys hajautetun tiedon keräämiseen. Sen keräämää mittaustietoa voidaan käyttää palvelun tason seurannassa j a raportoinnissa sekä laskutuksessa. Työn käytännön osuudessa piti kehittää langattoman verkon liikennettä seuraava agentti joka tarkkailisi palvelun laatua. Agentti sijaitsisi matkapuhelimessa mitaten verkon liikennettä. Agenttia ei kuitenkaan voitu toteuttaa koska ohjelmistoympäristö todettiin vajaaksi. Joka tapauksessa työ osoitti että käyttäjän näkökulmasta tietoa kerääville agenteille on todellinen tarve.

Lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnon-valvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin

Lyhyen kantaman radiolähettimien käyttö on kasvanut muutaman viime vuoden aikana huomattavasti. Osaltaan tähän on vaikuttanut uusien taajuusalueiden allokointi lupavapaiden radiolähettimien käyttöön, standardoitujen tekniikoiden yleistyminen ja laitteiden parempi saatavuus. Tässä työssä tarkastellaan lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuutta sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin. Työssä luodaan katsaus teollisuusympäristön vaikutuksiin langattomassa tiedonsiirrossa ja tarkastellaan sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan vaatimuksia tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtojärjestelmälle. Työssä käydään läpi lyhyen kantaman radiolähettimiin liittyvät säädökset ja luodaan katsaus standardoituihin sekä valmistajakohtaisiin lyhyen kantaman radiotekniikoihin. Tiedonsiirtojärjestelmän suunnittelun kannalta tarkastellaan tiedonsiirtojärjestelmän topologiaa, protokollaa ja saatavilla olevia tekniikoita ja niiden implementoimista järjestelmään. Valmistajakohtaisia lyhyen kantaman radiomoduulien toimintaa ja Bluetoothin sisältävää älypuhelinta tutkitaan laboratoriomittauksin. Lopuksi kootaan yhteen langattoman tiedonsiirron ja eri tekniikoiden soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan sovelluksiin.

The Architecture of a Fourth Generation Mobile Network

Neljännen sukupolven mobiiliverkot yhdistävät saumattomasti televerkot, Internetin ja niiden palvelut. Alkuperin Internetiä käytettiin vain paikallaan pysyviltä tietokoneilta perinteisten televerkkojen tarjotessa puhelin- ja datapalveluita. Neljännen sukupolven mobiiliverkkojen käyttäjät voivat käyttää sekä Internetiin perustuvia että perinteisten televerkkojen palveluita liikkuessaankin. Tämä diplomityö esittelee neljännen sukupolven mobiiliverkon yleisen arkkitehtuurin. Arkkitehtuurin perusosat kuvaillaan ja arkkitehtuuria verrataan toisen ja kolmannen sukupolven mobiiliverkkoihin. Aiheeseen liittyvät Internet-standardit esitellään ja niiden soveltuvuutta mobiiliverkkoihin pohditaan. Langattomia, lyhyen kantaman nopeita liitäntäverkkotekniikoita esitellään. Neljännen sukupolven mobiiliverkoissa tarvittavia päätelaitteiden ja käyttäjien liikkuvuuden hallintamenetelmiä esitellään. Esitelty arkkitehtuuri perustuu langattomiin, lyhyen kantaman nopeisiin liitäntäverkkotekniikoihin ja Internet-standardeihin. Arkkitehtuuri mahdollistaa yhteydet toisiin käyttäjiin ilman tietoa heidän senhetkisestä päätelaitteesta tai sijainnista. Internetin palveluitavoidaan käyttää missä tahansa neljännen sukupolven mobiiliverkon alueella. Yleiskäytöistä liikkuvuuden hallintamenetelmää yhden verkon alueelle ehdotetaan. Menetelmää voidaan käyttää yhdessä esitellyn arkkitehtuurin kanssa.

Wireless Authentication and Authorization, case Wireless Access Control System

Lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntäminen mahdollistaa uudenlaisten paikallisten palveluiden käytön ja vanhojen palveluiden kehittämisen. Kulunvalvonta on päivittäisenä palveluna valittu työn esimerkkisovellukseksi. Useita tunnistus- ja valtuutustapoja tutkitaan, ja julkisen avaimen infrastruktuuri on esitellään tarkemmin. Langattomat tekniikat Bluetooth, Zigbee, RFID ja IrDA esitellän yleisellä tasolla langattomat tekniikat –luvussa. Bluetooth-tekniikan rakennetta, mukaan lukien sen tietoturva-arkkitehtuuria, tutkitaan tarkemmin. Bluetooth-tekniikkaa käytetään työssä suunnitellun langattoman kulunvalvontajärjestelmän tietojen siirtoon. Kannettava päätelaite toimii käyttäjän henkilökohtaisena luotettuna laitteena, jota voi käyttää avaimena. Käyttäjän tunnistaminen ja valtuuttaminen perustuu julkisen avaimen infrastruktuuriin. Ylläpidon allekirjoittamat varmenteet sisältävät käyttäjän julkisen avaimen lisäksi tietoa hänestä ja hänen oikeuksistaan. Käyttäjän tunnistaminen kulunvalvontapisteissä tehdään julkisen ja salaisen avaimen käyttöön perustuvalla haaste-vastaus-menetelmällä. Lyhyesti, järjestelmässä käytetään Bluetooth-päätelaitteita langattomina avaimina.

Langattoman tiedonsiirron käyttö juoma-astioiden palautusautomaatissa

Työssä selvitetään radiotaajuustunnistamisen (RFID) toimintaperiaatteita ja radiotaajuustunnisteen käyttömahdollisuuksia juoma-astioiden palautusautomaatissa ja sen ympäristössä. Samoin työssä selvitetään Bluetooth:in, lyhyen kantaman radioteknologian, toimintaperiaatetta ja sen käyttömahdollisuuksia juoma-astioiden palautusautomaatissa ja sen ympäristössä. Radiotaajuustunnisteen käytöstä juoma-astioiden palautusautomaatissa käsitellään astioiden tunnistamista RFID-tunnisteen avulla ja RFID-tunnisteen käyttämistä paperisen kuitin korvaajana. Bluetooth-teknologian käytössä juoma-astioiden palautusautomaatin ympäristössä käsitellään nykyisten langallisten yhteyksien korvaamista Bluetooth-yhteydellä ja uusia käyttömahdollisuuksia.

Bluetooth wireless technology based guidance system

Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat tarjoavat mahdollisuuden toteuttaa erilaisia paikkasidonnaisia palveluita käyttäjille kohtuullisilla kustannuksilla. Opastejärjestelmä, joka ohjaa käyttäjän paikasta toiseen, on yksi tälläinen palvelu. Tässä työssä esitetään langattomaan Bluetooth teknologiaan perustuva opastejärjestelmä. Muita langattomia teknologioita verrataan Bluetoothiin opastejärjestelmän toteuttamisen kannalta. Erilaisia järjestelmän arkkitehtuuri vaihtoehtoja käyttäjän paikantamiseen esitellään. Paikkatietoja hyödynnetään opasteviestin muodostamisessa. Tapoja muodostaa käyttäjän reitti kahden paikan välillä toimistorakennuksessa esitetään. Työn tulos on halpa langatonta Bluetooth teknologiaa hyödyntävä opastejärjestelmä, jota voidaan käyttää myös muiden langattomien paikkasidonnaisten palveluiden tuottamiseen.

JAVA APIS FOR BLUETOOTH WIRELESS TECHNOLOGY

Bluetooth™ Teknologia - Bluetooth Wireless Technology - on lyhyen kantaman langaton kommunikointiteknologia. Vaikka se onkin ensisijaisesti suunniteltu kaapelin korvaajaksi laitteiden omaan toimintaan liittyvässä liikenteessä, voidaan sitä myös käyttää alustana monen käyttäjien peleissä ja muissa vastaavissa sovelluksissa. Tassa diplomityössä esitellään Bluetooth teknologia sovellusohjelmoijan näkökulmasta. Työssä esitellään teollisuuskonsortion määrittelemä Java-ohjelmointirajapinta Bluetooth teknologiaan. Tämän rajapinnan avulla voidaan kehittää kannettavia sovelluksia jotka kommunikoivat Bluetooth yhteyden yli. Rajapinta pohjautuu "Java™ 2 Microedition" alustaan ja on siten toteutettavissa myös pienissä laitteissa kuten matkapuhelimissa. Työssä esitellään lyhyesti rajapinnan keskeiset osat sekä annetaan esimerkki rajapinnan käytöstä. Työn konstruktiivisessa osassa rajapinnan keskeiset on toteutettu kahdelle eri alustalle: Sambian™ ja Microsoft® Windows® käyttöjärjestelmille. Talla tavalla on saatu arvokasta tietoa siitä, miten kyseinen rajapinta tulisi toteuttaa ja myös siitä miten sovellukset sitä käyttäisivät. Keskeiset suunnitteluratkaisut ja saadut kokemukset on raportoitu työn kirjallisessa osassa. Vaikka työn konstruktiivinen osuus onkin luonteeltaan esitutkimus eikä tähdännyt tuotteeseen, on tuloksena syntynyttä rajapintaa tarkoitus käyttää useassa Nokian sisäisessä tutkimus-ja kehityshankkeessa.

Tietoliikenteen tulevaisuuden näkymiä - Etelä-Karjala 2018

Tekniikan kehitys menee vauhdilla eteenpäin ja uusi verkkotekniikoita syntyy koko ajan. Haasteita tuottavat sopivien verkkotekniikoiden löytäminen käyttöön tietylle alueelle ja joissakin tapauksissa joudutaan tyytymään kompromissiratkaisuihin. Lyhyen kantaman langattomat kommunikaatioteknologiat soveltuvat esimerkiksi haja-asutusalueille ja saaristoon, mikäli perinteisen kuidun vetäminen niille alueille ei ole mahdollista. Tässä työssä tuodaan esille niitä langallisia ja langattomia tekniikoita, jotka ovat tällä hetkellä tai tulevaisuudessa merkityksellisiä Etelä-Karjalan kannalta. Osa tekniikoista voi jäädä kokonaan pois käytöstä kymmenen vuoden sisällä tai ne voivat yhdistyä ja muuttaa muotoaan. Työn tuloksena syntyneen kartoituksen perusteella saadaan visio siitä, miltä Etelä-Karjalan tilanne näyttää vuonna 2018. Nyt on jo tiedossa Soneran puhelinlankaverkon alasajo lähivuosina ja kuidun vetäminen viemäriin viemäröintitöiden yhteydessä. Tulevaisuuden kaistankäyttötarpeet ja erilaisten palvelujen lisääntyminen edesauttavat viihdepalveluiden tarjonnan monipuolistumista. Open Access ja triple-play ovat tulevaisuuden termejä. Viihteen lisäksi myös muilla eri osa-alueilla kuten työelämässä, sairaaloissa ja kouluissa on tarvetta laajakaistaisille monipalveluille.

Kaupallisten lyhyen kantaman radiotekniikoiden kartoitus ja soveltuvuus analyysi metallisorvin ohjauksessa käytettävään point-to-point yhteyteen

Työssä tutkitaan kaupallisten lyhyen kantaman radiotekniikoiden ominaisuuksia sekä soveltuvuutta metallisorvin langattomaan ohjaukseen. Ominaisuuksien perusteella valitaan parhaiten sovellukseen käyvä radiotekniikka.