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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-326690
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.32669
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Number of Pages: | 171 |
| Date: | 5 November 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Milena Grifoni |
| Date of exam: | 22 October 2015 |
| Institutions: | Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Grifoni > Group Milena Grifoni |
| Keywords: | quantum transport, quantum dots, carbon nanotube, metallic island, superconductivity, ferromagnetism, Coulomb blockade, master equation, transport theory, physics, diagrammatics |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 32669 |
Abstract (English)
The following thesis is devoted to a theoretical description of superconducting and ferromagnetic hybrid systems, where nanostructures, as quantum dot molecules or metallic island single electron transistors are tunnel coupled to leads with the respective material property. The work is divided into three parts, presenting at first a general transport theory, which is then used to address the ...
Abstract (English)
The following thesis is devoted to a theoretical description of superconducting and ferromagnetic hybrid systems, where nanostructures, as quantum dot molecules or metallic island single electron transistors are tunnel coupled to leads with the respective material property. The work is divided into three parts, presenting at first a general transport theory, which is then used to address the superconducting and ferromagnetic case.
In the first part of the thesis a formally exact equation of motion for the reduced density matrix of the nanostructure is presented, accounting for the full information about the entanglement of the nanostructure and the leads. A systematic expansion of this equation in terms of the tunnel coupling allows to use it as a basis for the description of various transport regimes.
The second part addresses the transport properties of superconducting hybrid systems. Firstly, in the sequential tunneling regime, the peculiarities arising from the superconducting leads and their influence on the transport characteristics are analyzed. Furthermore, we stress the possibility of finding subgap features stemming from thermally activated quasiparticles, which are opening new transport channels for temperatures comparable to the superconducting gap. Specifically, we demonstrate that they allow to observe excited system states even in the subgap transport.
The experimental relevance of the predicted effects is demonstrated in the subsequent chapter, where we analyze a transport experiment of a carbon nanotube quantum dot coupled two superconducting niobium leads. We show how subgap spectroscopy of thermally excited quasiparticles can be done, proposing a particular useful method to determine the charge configuration from the transport characteristic.
Finally, the intermediate coupling regime is addressed, where charge fluctuation processes significantly influence the transport characteristics. They lead to a self energy contribution in the transition rates, inducing correlation effects between the two leads, and also between many-body states of different particle number subspaces. In the non-interacting case we compare the dressed second order approximation (DSO) to the more advanced resonant tunneling approximation of König et al., which in addition to the charge fluctuation processes accounts also for vertex corrections and is exact in this limit. An analytical comparison of the linear conductance allows to identify an additional spurious term in the DSO conductance formula. The requirement that the additional term is negligible compared to the exact one, generally sets the limits of applicability of the DSO approximation.
The third part of the thesis is about the transport properties of ferromagnetic hybrid systems. In particular, we interpret the transport properties of nanoconstrictions in the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The transport behavior of these systems is governed by the so called Coulomb blockade anisotropic magneto resistance, which is leading to differential conductance stability diagrams reminiscent of the transport through metallic islands. A peculiarity of the investigated devices is a transport gap opening at some charge degeneracy points. To account for these effect, a transport theory is derived treating explicitly an energy dependent density of states in the metallic islands.
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit thematisiert die Transport Eigenschaften supraleitender und ferromagnetischer Hybridsysteme, bei denen nano-strukturierte Einzelelektronentransitoren, wie beispielsweise Quantenpunktmoleküle oder metallische Inseln, über Tunnelbarrieren an Kontakte des entsprechenden Materials gekoppelt sind. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert. Zuerst wird eine allgemeine Transporttheorie ...
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit thematisiert die Transport Eigenschaften supraleitender und ferromagnetischer Hybridsysteme, bei denen nano-strukturierte Einzelelektronentransitoren, wie beispielsweise Quantenpunktmoleküle oder metallische Inseln, über Tunnelbarrieren an Kontakte des entsprechenden Materials gekoppelt sind. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert. Zuerst wird eine allgemeine Transporttheorie präsentiert, die anschließend im supraleitenden und ferromagnetischen Fall zu Anwendung kommt.
Im ersten Teil wird eine formell exakte Bewegungsgleichung für die reduzierte Dichtematrix hergeleitet, welche eine vollständige Beschreibung der Verschränkung zwischen der Nanostruktur und den Kontakten liefert. Durch eine systematische Entwicklung dieser Gleichung als Funktion der Tunnelkopplung kann sie als Grundlage für die theoretische Beschreibung verschiedener Transportregime verwendet werden.
Der zweite Teil behandelt die Transporteigenschaften supraleitender Hybridsysteme. Wir analysieren zunächst, im Regime des sequenziellen Tunnelns, die Besonderheiten, die von den supraleitenden Kontakten und deren Einfluss auf die Transporteigenschaften stammen. Des Weiteren möchten wir die Möglichkeit betonen, Transportmerkmale unterhalb der supraleitenden Energielücke zu beobachten. Letztere kommen durch thermisch angeregte Quasiteilchen zu Stande, die bei mit der supraleitenden Energielücke vergleichbaren Temperaturen neue Transportkanäle öffnen. Vor allem demonstrieren wir, dass sie sogar die Beobachtung angeregter Zustände im Transport unterhalb der Energielücke erlauben.
Im darauf folgenden Kapitel wird die experimentelle Relevanz der vorhergesagten Effekte anhand eines Transportexperiments an einer an zwei supraleitenden Niobiumkontakte gekoppelten Kohlenstoffnanoröhre demonstriert. Wir zeigen wie Spektroskopie an thermisch angeregten Quasiteilchen unterhalb der supraleitenden Energielücke angewendet werden kann, indem wir eine besonders nützliche Methode vorschlagen,
die es erlaubt die Ladungskonfiguration aus dem Transportexperiment zu bestimmen.
Schließlich wird das sogenannte Regime mittlerer Kopplungsstärken adressiert, wo Ladungsfluktuationen bedeutenden Einfluss auf die Transportcharakteristik haben. Sie führen zu Selbstenergiebeiträgen in den Übergangsraten und induzieren Korrelationseffekte zwischen den beiden Kontakten und auch zwischen Vielteilchenzuständen benachbarter Teilchenzahlunterräume. Im nicht wechselwirkenden Fall wird die „dressed second order“ (DSO) Näherung mit der weitergehenden „resonant tunneling approximation“ (RTA) von König et al., die zusätzlich zu den Ladungsfluktuationen auch noch Vertex Korrekturen beinhaltet und in diesem Fall exakt ist, verglichen. Ein Vergleich der linearen Leitfähigkeit auf analytischer Ebene erlaubt es einen zusätzlichen falschen Term in der DSO-Leitfähigkeitsformel ausfindig zu machen. Die Bedingung, dass dieser Term vernachlässigbar bezüglich des exakten Ausdrucks sein muss, setzt im Allgemeinen die Grenzen der Anwendbarkeit der DSO-Näherung.
Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit den Transporteigenschaften ferromagnetischer Hybridsysteme. Insbesondere werden die Transporteigenschaften von Nanokontakten im verdünntmagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As untersucht. Das Transportverhalten dieser Systeme ist durch den sogenannten anisotropen Coulomb-Blockade Magnetwiderstand bestimmt, der zu Stabilitätsdiagrammen der differenziellen Leitfähigkeit führt, die an den Transport durch metallische Inseln erinnern. Eine Besonderheit der untersuchten Strukturen ist eine, an einigen Ladungsentartungspunkten beobachtete, Transportlücke. Um diese Effekte zu beschreiben, wird eine Transporttheorie hergeleitet, die explizit eine energieabhängige Zustandsdichte in den metallischen Inseln berücksichtigt.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:27
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