One and two-particle systems in toroidal quantum nanorings under adiabatic approximation

Abstract

En este trabajo se presenta un estudio teórico de varios sistemas bi-particulares, como es el caso de un sistema electrón-electrón y electrón-hueco (asumiendo masas efectivas iguales para ambas partículas) restringidos a moverse en anillos cuánticos semiconductores dentro de un régimen de confinamiento infinito. El estudio de estos sistemas nano-estructurados fue hecho bajo la aproximación de masa efectiva y se centró en el cálculo e interpretación del espectro energético del sistema. Con el ánimo de establecer los efectos de tamaño y forma sobre el espectro energético, se estudió sistemas de dos partículas en anillos unidimensionales acoplados verticalmente, en dos cintas cuánticas concéntricas, en anillos planos (con forma de arandela) y en dos anillos cuánticos toroidales acoplados verticalmente con tres diferentes morfologías de sección transversal (cuadrada, rectangular y circular). Adicionalmente, se estudió estos sistemas en presencia de impurezas donadoras, donde se muestra que el espectro energético de estas configuraciones presenta similitudes con el espectro energético de una molécula natural, y por esta razón son a menudo llamadas moléculas artificiales. Finalmente dada la motivación generada por la gran cantidad de trabajos tanto teóricos como experimentales, se considera estos sistemas en presencia de un campo magnético uniforme, estático y axial el cuál dá origen a un interesante fenómeno oscilatorio del cambio del spin asociado al estado base del sistema conocido como el efecto Aharonov-Bohm. / Abstract: In this work is presented a theoretical study of several two-particle systems, such as the case of an electron-electron and a electron-hole system (assuming the same effective mass for both particles) constrained to move into semiconductor quantum rings in a hard-wall confinement regime. The study of these charge carriers into these nanostructures was done within the effective mass approximation. The framework was pointed out to the calculation and interpretation of the system energy spectrum. With the aim of establishing the size and shape effects on the energy spectrum, it was studied the two-particle problem in two vertically stacked one-dimensional quantum rings, in two concentric quantum ribbons, in two-dimensional flat rings (washer-shaped) and in two vertically stacked toroidal quantum rings with three different cross-sections morphologies (square, rectangular and circular). Furthermore, it was studied these systems in presence of impurities donors, where it was shown that the energy spectrum of such nanostructures is very similar to the energy spectrum of an actual molecule, by this reason they are often called artificial molecules. Finally motivated by a great amount of theoretical and experimental works, it was considered these systems under the presence of an uniform static axial magnetic field which give rise to an interesting oscillatory phenomenon of the spin-shift of the system’s ground state known as the Aharonov-Bohm effect.