RKKY interaction between quantum dot spins tuned by the quantum dot level

We have investigated the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction between two quantum dot (QD) spins mediated by a two-dimensional electron gas in the simplest case. The oscillation of the RKKY interaction versus the distance between the two QDs consists of two ingredients with different periods. The RKKY interaction undulates with the variation of the singly occupied QD level, which provides us a way to tune the magnitude and the sign of the RKKY interaction by pushing the QD level up and down. These conclusions are quite different from the usual result obtained by replacing the s-d exchange interaction with its value at the Fermi level. The influence on the RKKY interaction brought about under more realistic conditions is also discussed.

Theory of ultrafast optical manipulation of electron spins in quantum wells

Based on a multiparticle-state stimulated Raman adiabatic passage approach, a comprehensive theoretical study of the ultrafast optical manipulation of electron spins in quantum wells is presented. In addition to corroborating experimental findings [Gupta , Science 292, 2458 (2001)], we improve the expression for the optical-pulse-induced effective magnetic field, in comparison with the one obtained via the conventional single-particle ac Stark shift. Further study of the effect of hole-spin relaxation reveals that, while the coherent optical manipulation of electron spin in undoped quantum wells would deteriorate in the presence of relatively fast hole-spin relaxation, the coherent control in doped systems can be quite robust against decoherence. The implications of the present results on quantum dots will also be discussed. (c) 2005 American Institute of Physics.

Analytical study of the antiferromagnetic Heisenberg films

With the variational cumulant expansion (VCE) method, the thermodynamic behaviors of S = 1/2 antiferromagnetic Heisenberg films in simple cubic lattices are studied analytically. From the analytic properties of the free energy, in principle we are able to calculate analytically the critical temperatures T-c(L) and the thermodynamic functions, to any order cumulant as the functions of the number of L (the hyperlayers in the hyperfilm). Explicit expressions for T-c(L) up to the fourth order are given. A comparison with the existing results for 3-dimensional system is given. The effective range of the interaction is obtained from numerical results.

Ultrafast Kerr rotations and zero-field dephasing time of electron spins in InAs/GaAs quantum disks

Time-resolved Kerr rotation (TRKR) measurements based on pump-probe arrangement were carried out at 5 K on the monolayer fluctuation induced InAs/GaAs quantum disks grown on GaAs substrate without external magnetic field. The lineshape of TRKR signals shows an unusual dependence on the excitation wavelength, especially antisymmetric step-shaped structures appearing when the excitation wavelength was resonantly scanned over the heavy- and light-hole subbands. Moreover, these step structures possess an almost identical decay time of similar to 40 Ps which is believed to be the characteristic spin dephasing time of electrons in the extremely narrow InAs/GaAs quantum disks.

Isospin symmetry breaking at high spins in the mirror pair Se-67 and As-67

Recent experimental data have revealed large mirror energy differences (MED) between high-spin states in the mirror nuclei Se-67 and As-67, the heaviest pair where MED have been determined so far. The MED are generally attributed to the isospin symmetry breaking caused by the Coulomb force and by the isospin-nonconserving part of the nucleon-nucleon residual interaction. The different contributions of the various terms have been extensively studied in the fp shell. By employing large-scale shell-model calculations, we show that the inclusion of the g(9/2) orbit causes interference between the electromagnetic spin-orbit and the Coulomb monopole radial terms at high spin. The large MED are attributed to the aligned proton pair excitations from the p(3/2) and f(5/2) orbits to the g(9/2) orbit. The relation of the MED to deformation is discussed.

Mieszanie stanów magnetycznych w skończonych układach spinowych opisywanych modelem Heisenberga

Wydział Fizyki: Zakład Fizyki Komputerowej

Rotating-frame nuclear magnetic relaxation of spins diffusing on a disordered lattice: a Monte Carlo model

The rotating-frame nuclear magnetic relaxation rate of spins diffusing on a disordered lattice has been calculated by Monte Carlo methods. The disorder includes not only variation in the distances between neighbouring spin sites but also variation in the hopping rate associated with each site. The presence of the disorder, particularly the hopping rate disorder, causes changes in the time-dependent spin correlation functions which translate into asymmetry in the characteristic peak in the temperature dependence of the dipolar relaxation rate. The results may be used to deduce the average hopping rate from the relaxation but the effect is not sufficiently marked to enable the distribution of the hopping rates to be evaluated. The distribution, which is a measure of the degree of disorder, is the more interesting feature and it has been possible to show from the calculation that measurements of the relaxation rate as a function of the strength of the radiofrequency spin-locking magnetic field can lead to an evaluation of its width. Some experimental data on an amorphous metal - hydrogen alloy are reported which demonstrate the feasibility of this novel approach to rotating-frame relaxation in disordered materials.

Extraction of singlet states from noninteracting high-dimensional spins

We present a scheme for the extraction of singlet states of two remote particles of arbitrary quantum spin number. The goal is achieved through post-selection of the state of interaction mediators sent in succession. A small number of iterations is sufficient to make the scheme effective. We propose two suitable experimental setups where the protocol can be implemented.

Rising time of entanglement between scattering spins

We investigate the time evolution of entanglement in a process where a mobile particle is scattered by static spins. We show that entanglement increases monotonically during a transient and then saturates to a steady-state value. For a quasimonochromatic mobile particle, the transient time depends only on the group velocity and width of the incoming wave packet and is insensitive to the interaction strength and spin number of the scattering particles. These features do not depend on the interaction model and can be seen in various physical settings.

Optical properties of organic superconductor K-(BETS)2FeBr4 /

K-(BETS)2FeBr4 is a quasi-2D charge transfer organic metal with interesting electronic and magnetic properties. It undergoes a transition to an antiferromagnetic (AF) state at ambient pressure at the Neel temperature (T^^) = 2.5 K, as well as to a superconducting (SC) state at 1.1 K [1]. The temperature dependence of the electrical resistivity shows a small decrease at T;v indicating the resistivity drops as a result of the onset of the ordering of Fe'*''" spins. A sharp drop in the resistivity at 1.1 K is due to its superconducting transition. The temperature dependence of the susceptibility indicates an antiferromagnetic spin structure with the easy axis parallel to the a-axis. The specific heat at zero-field shows a large peak at about 2.4 K, which corresponds to the antiferromagnetic transition temperature (Tat) and no anomaly is observed around the superconducting transition temperature (1.1 K) demonstrating that the magnetically ordered state is not destroyed by the appearance of another phase transition (the superconducting transition) in the 7r-electron layers [1], [2]. This work presents an investigation of how the low frequency electromagnetic response is affected by the antiferromagnetic and superconducting states, as well as the onset of strong correlation. The location of the easy axis of three samples was determined and polarized thermal reflectance measurements of these «-(BETS)2FeBr4 samples oriented with their vertical axis along the a- and c axes were then carried out using a *He refrigerator cryostat and a Martin-Puplett type polarizing interferometer at various temperatures (T = 0.5 K, 1.4 K. 1.9 K, 2.8 K) above and below the superconducting state and/or antiferromagnetic state. Comparison of the SC state to the normal state along the o- and c-axes indicates a rising thermal reflectance at low frequencies (below 10 cm"' ) which may be a manifestation of the superconducting energy gap. A dip-Hke feature is detected at low frequencies (below 15 cm"') in the thermal reflectance plots which probe the antiferromagnetic state along the two axes, and may be due to the opening of a gap in the excitation spectrum as a result of the antiferromagnetism. In another set of experiments, thermal reflectance measurements carried out along the a- and c-axes at higher temperatures (10 K-80 K) show that the reflectivity decreases with increasing temperature to 60 K (the coherence temperature) above which it increases again. Comparison of the thermal reflectance plots along the a- and c-axes at higher temperatures reveals an anisotropy between these two axes. The Hagen-Rubens thermal reflectance plots corresponding to an average over the ac-plane were calculated using experimental hterature resistivity values. Comparison of the Hagen-Rubens plots with the experimental thermal reflectance along the a- and c-axes indicates that both exhibit the general trend of a decrease in thermal reflectance with increasing frequency, however the calculated Hagen-Rubens thermal reflectance at different temperatures is much lower than the experimental curves.

Structural, Magnetic and Thermal Studies of Ce1-xEuxCrO3 Nano-Powders

A new series of nano-sized Ce1-xEuxCrO3 (x = 0.0 to 1.0) with an average particle size of 50 - 80 nm were synthesized using a solution combustion method. Nano-powders Ce1-xEuxCrO3 with the canted antiferromagnetic property exhibited interesting magnetic behaviours including the reversal magnetization and the exchange bias effect. The effect of europium doping as the ion with the smaller radius size and different electron con figuration on structural, magnetic and thermal properties of Ce1-xEuxCrO3 were investigated using various experimental techniques, i.e. DC/AC magnetic susceptibility, heat capacity, thermal expansion, Raman scattering, X-ray photoemission spectroscopy, transmission/scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction and neutron scattering. An exchange bias effect, magnetization irreversibility and AC susceptibility dispersion in these samples confirmed the existence of the spin disorder magnetic phase in Ce1-xEuxCrO3 compounds. The exchange bias phenomenon, which is assigned to the exchange coupling between glassy-like shell and canted antiferromagnetic core, showed the opposite sign in CeCrO3 and EuCrO3 at low temperatures, suggesting different exchange interactions at the interfaces in these compounds. The energy level excitation of samples were examined by an inelastic neutron scattering which was in good agreement with the heat capacity data. Neutron scattering analysis of EuCrO3 was challenging due to the large neutron absorption cross-section of europium. All diffraction patterns of Ce1-xEuxCrO3 showed the magnetic peak attributed to the antiferromagnetic Cr3+ spins while none of the diffraction patterns could detect the magnetic ordering of the rare-earth ions in these samples.

Lien entre les matrices de transfert de spins et de boucles du modèle de Potts sur le tore

Le lien entre le spectre de la matrice de transfert de la formulation de spins du modèle de Potts critique et celui de la matrice de transfert double-ligne de la formulation de boucles est établi. La relation entre la trace des deux opérateurs est obtenue dans deux représentations de l'algèbre de Temperley-Lieb cyclique, dont la matrice de transfert de boucles est un élément. Le résultat est exprimé en termes des traces modifiées, qui correspondent à des traces effectuées dans le sous-espace de l'espace de représentation des N-liens se transformant selon la m ième représentation irréductible du groupe cyclique. Le mémoire comporte trois chapitres. Dans le premier chapitre, les résultats essentiels concernant les formulations de spins et de boucles du modèle de Potts sont rappelés. Dans le second chapitre, les propriétés de l'algèbre de Temperley-Lieb cyclique et de ses représentations sont étudiées. Enfin, le lien entre les deux traces est construit dans le troisième chapitre. Le résultat final s'apparente à celui obtenu par Richard et Jacobsen en 2007, mais une nouvelle représentation n'ayant pas été étudiée est aussi investiguée.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

Caractérisation et modélisation de l’aimant organique NIT-2Py

L'aimant organique NIT-2Py a été caractérisé expérimentalement et ses propriétés ont été simulées numériquement à partir de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le magnétisme dans ce matériau provient de la présence d'un électron non apparié sur chaque molécule qui a ainsi un moment magnétique non nul. Ceci a été confirmé par des simulations sur une molécule isolée. Les molécules de NIT-2Py cristallisent dans le groupe d'espace P21/c avec huit molécules par maille élémentaire pour former la structure cristalline Alpha étudiée dans ce document. Le moment effectif de la susceptibilité et l'entropie magnétique totale montre que ce matériau est un système de spins 1/2 avec un spin par molécule. Les mesures de chaleur spécifique ont mis en évidence la présence de deux phases magnétiques ordonnées à basse température qui sont séparées par un plateau en aimantation. Une première phase est observée à des champs magnétiques inférieurs à 2.2 T et a une température de transition de 1.32 K en champ nul. Les mesures de susceptibilité magnétique et d'aimantation ont permis d'établir que cette phase ordonnée est antiferromagnétique. Ceci est confirmé par les simulations numériques. La deuxième phase est induite par le champ magnétique avec une température de transition de 0.53 K à 6 T. L'information disponible sur cette phase est limitée et l'étude du système à l'extérieur des phases ordonnées en donne une meilleure compréhension. Un modèle de spins S=1/2 isolés et de dimères S=0 isolés reproduit bien les mesures d'aimantation et de chaleur spécifique au-dessus de 3 K. L'application d'un champ magnétique réduit l'écart d'énergie entre le singulet et le triplet du dimère jusqu'au croisement qui se produit à 6 T. La phase induite émerge précisément à ce croisement et on spécule l'existence d'un condensat de Bose-Einstein des états triplets.