Size effects in the magneto-optical response of Co nanoparticles

A study of the magneto-optical (MO) spectral response of Co nanoparticles embedded in MgO as a function of their size and concentration in the spectral range from 1.4 to 4.3 eV is presented. The nanoparticle layers were obtained by sputtering at different deposition temperatures. Transmission electron microscopy measurements show that the nanoparticles have a complex structure which consists of a crystalline core having a hexagonal close-packed structure and an amorphous crust. Using an effective-medium approximation we have obtained the MO constants of the Co nanoparticles. These MO constants are different from those of continuous Co layers and depend on the size of the crystalline core. We associate these changes with the size effect of the intraband contribution to the MO constants, related to a reduction of the relaxation time of the electrons into the nanoparticles.

Spin filtering through ferromagnetic BiMnO3 tunnel barriers

We report on experiments of spin filtering through ultrathin single-crystal layers of the insulating and ferromagnetic oxide BiMnO3 (BMO). The spin polarization of the electrons tunneling from a gold electrode through BMO is analyzed with a counterelectrode of the half-metallic oxide La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). At 3 K we find a 50% change of the tunnel resistances according to whether the magnetizations of BMO and LSMO are parallel or opposite. This effect corresponds to a spin-filtering efficiency of up to 22%. Our results thus show the potential of complex ferromagnetic insulating oxides for spin filtering and injection.

Parity violation in Aharonov-Bohm systems: The spontaneous Hall effect

We show how macroscopic manifestations of P (and T) symmetry breaking can arise in a simple system subject to Aharonov-Bohm interactions. Specifically, we study the conductivity of a gas of charged particles moving through a dilute array of flux tubes. The interaction of the electrons with the flux tubes is taken to be of a purely Aharonov-Bohm type. We find that the system exhibits a nonzero transverse conductivity, i.e., a spontaneous Hall effect. This is in contrast to the fact that the cross sections for both scattering and bremsstrahlung (soft-photon emission) of a single electron from a flux tube are invariant under reflections. We argue that the asymmetry in the conductivity coefficients arises from many-body effects. On the other hand, the transverse conductivity has the same dependence on universal constants that appears in the quantum Hall effect, a result that we relate to the validity of the mean-field approximation.

Self-consistent theory of current and voltage noise in multimode ballistic conductors

Electron transport in a self-consistent potential along a ballistic two-terminal conductor has been investigated. We have derived general formulas which describe the nonlinear current-voltage characteristics, differential conductance, and low-frequency current and voltage noise assuming an arbitrary distribution function and correlation properties of injected electrons. The analytical results have been obtained for a wide range of biases: from equilibrium to high values beyond the linear-response regime. The particular case of a three-dimensional Fermi-Dirac injection has been analyzed. We show that the Coulomb correlations are manifested in the negative excess voltage noise, i.e., the voltage fluctuations under high-field transport conditions can be less than in equilibrium.

Shot-noise spectroscopy of energy resolved ballistic currents

We investigate the shot noise of nonequilibrium carriers injected into a ballistic conductor and interacting via long-range Coulomb forces. Coulomb interactions are shown to act as an energy analyzer of the profile of injected electrons by means of the fluctuations of the potential barrier at the emitter contact. We show that the details in the energy profile can be extracted from shot-noise measurements in the Coulomb interaction regime, but cannot be obtained from time-averaged quantities or shot-noise measurements in the absence of interactions.

Effect of long-range Coulomb interaction on shot-noise suppression in ballistic transport

We present a microscopic analysis of shot-noise suppression due to long-range Coulomb interaction in semiconductor devices under ballistic transport conditions. An ensemble Monte Carlo simulator self-consistently coupled with a Poisson solver is used for the calculations. A wide range of injection-rate densities leading to different degrees of suppression is investigated. A sharp tendency of noise suppression at increasing injection densities is found to scale with a dimensionless Debye length related to the importance of space-charge effects in the structure.

The role of dynamical polarization of the ligand-to-metal charge transfer excitations in the ab initio determination of effective exchange parameters

The role of the bridging ligand on the effective Heisenberg coupling parameters is analyzed in detail. This analysis strongly suggests that the ligand-to-metal charge transfer excitations are responsible for a large part of the final value of the magnetic coupling constant. This permits us to suggest a variant of the difference dedicated configuration interaction (DDCI) method, presently one of the most accurate and reliable for the evaluation of magnetic effective interactions. This method treats the bridging ligand orbitals mediating the interaction at the same level than the magnetic orbitals and preserves the high quality of the DDCI results while being much less computationally demanding. The numerical accuracy of the new approach is illustrated on various systems with one or two magnetic electrons per magnetic center. The fact that accurate results can be obtained using a rather reduced configuration interaction space opens the possibility to study more complex systems with many magnetic centers and/or many electrons per center.

Electronic structure of a neutral oxygen vacancy in SrTiO3

The electronic structure of an isolated oxygen vacancy in SrTiO3 has been investigated with a variety of ab initio quantum mechanical approaches. In particular we compared pure density functional theory (DFT) approaches with the Hartree-Fock method, and with hybrid methods where the exchange term is treated in a mixed way. Both local cluster models and periodic calculations with large supercells containing up to 80 atoms have been performed. Both diamagnetic (singlet state) and paramagnetic (triplet state) solutions have been considered. We found that the formation of an O vacancy is accompanied by the transfer of two electrons to the 3d(z2) orbitals of the two Ti atoms along the Ti-Vac-Ti axis. The two electrons are spin coupled and the ground state is diamagnetic. New states associated with the defect center appear in the gap just below the conduction band edge. The formation energy computed with respect to an isolated oxygen atom in the triplet state is 9.4 eV.

Isospin-rich nuclei in neutron star matter

Stability of nuclei beyond the drip lines in the presence of an enveloping gas of nucleons and electrons, as prevailing in the inner crust of a neutron star, is studied in the temperature-dependent Thomas-Fermi framework. A limiting asymmetry in the isospin space beyond which nuclei cannot exist emerges from the calculations. The ambient conditions such as temperature, baryon density, and neutrino concentration under which these exotic nuclear systems can be formed are studied in some detail.

Studies on laser induced optogalvanic effect in certain gas discharges

Electrical gas discharges have been the subject of numerous investigations from the last century due to their growing interest in technological and fundamental applications. Absorption of electromagnetic radiation by a gas discharge result into a change in electrical impedance due to a significant perturbations in the steady state population of excited levels and the degree of ionization. This change in impedance produced by resonant absorption of radiation is known as optogalvanic COG) effect. where as that is produced by injecting electrons in to the discharge by photoelectric emission is usually known as photoemission optogalvanic (FOG) effect. With the development of lasers and sophisticated electronic equipment. these effects have established their importance in analytical and spectroscopic measurements. The present thesis deals with the work carried out by the author in the field optogalvanic effect during the past few years at the Department of Physics in Cochin University of Science| and "Fechnology. The results and the observation are summarized in nine chapters and the references to the literature is made at the end of each chapter

" Studies on Laser induced Phatothermal Phenomena in Selected Organic Compounds and Fullerenes"

In the pre—laser era it was difficult to believe that the optical properties of a medium depend upon the intensity of the radiation incident on it. The basis for this conclusion is that the electric field strength associated with the conventional light sources used before the advent of lasers was much smaller than (103 V/cm) the field sttrengths of atomic or interatomic fields (2 107 —- 10” V/cm). The radiation with such low intensity is not able to affect atomic fields to the extent of changing optical parameters. The invention of laser in 1960 was a turning point. The high degree of coherence of the laser radiation provides high spatial concentration of optical power. With the availability of the femtosecond lasers it has become possible to get extremely high peak powers 2 1013 W/cmz). At such high fields, the relationship between electric ‘polarization P and the electric field strength E ceases to be linear and several nonlinear effects begin to occur. Nonlinear absorption, a branch of nonlinear optics, refers to the interaction between radiation and matter accompanied by absorption of more than one photon. Nonlinear absorption has acquired great importance after the invention of high power lasers. One of the objectives of the present work is to investigate the nonlinear absorption processes occurring in fullerene, selected organic solvents and laser dyes. Fullerenes and laser dyes were chosen because of their highly nonlinear behaviour. Fullerenes, the most beautiful among molecules, offer fascinating field of research owinglto their significant structural properties. As toluene, benzene and carbon disulphide are themost widely used solvents for fullerenes, it seems important to study the nonlinear properties of these liquids as well. Like fullerenes, laser dyes also possess highly delocalized 7r electrons which are responsible for their nonlinear absorption. Dye lasers were the fulfillment of an experimenter’s pipe dream - to have a laser that is easily tunable over a wide range of wavelengths. A better understandingof the photophysical properties of laser dyes can significantly enhance the development and technology of dye lasers. We studied the nonlinear absorption properties of two rhodamine dyes to have some insight into their nonlinear optical properties.

Fabrication of a quantum well heterostructure based on plasma polymerized aniline and its characterization using STM/STS

Two-dimensional electronic systems play a crucial role in modern electronics and offer a multitude of opportunities to study the fundamental phenomena at low dimensional physics. A quantum well heterostructure based on polyaniline (P) and iodine doped polyaniline (I) thin films were fabricated using radio frequency plasma polymerization on indium tin oxide coated glass plate. Scanning probe microscopy and scanning electron microscopy studies were employed to study the morphology and roughness of the polymer thin films. Local electronic density of states (LDOS) of the P–I–P heterostructures is probed using scanning tunnelling spectroscopy (STS). A step like LDOS is observed in the P–I–P heterostructure and is attributed to the quantum well confinement of electrons in the polymer heterostructure.

Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.