Influence of spin excitations on transport through a quantum-dot spin valve [Elektronische Ressource] / von Björn Sothmann

Bjoern Sothmann

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

In uence of spin excitations on transport
through a quantum-dot spin valve
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften\
"
an der Fakultat fur Physik
der Universitat Duisburg-Essen
von
Dipl.-Phys. Bjorn Sothmann
Referent: Prof. Dr. J. Konig
Korreferent: Prof. Dr. M. Wegewijst: Prof. Dr. D. Pfannkuche
Tag der mundlichen Prufung: 28.03.2011 Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir den spinabhangigen Transport durch Nano-
strukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Transport durch Quantenpunkte
(QP) die durch Tunnelbarrieren an nicht kollinear magnetisierte Elektroden gekoppelt
sind. Durch Anlegen einer Transportspannung an ein solches Quantenpunktspinventil
(QPSV) wird eine Spinakkumulation auf dem QP erzeugt, die den Strom durch das
System reduziert. Daneben fuhrt eine spinabhangige Renormierung der Dotniveaus
zu einem e ektiven Austauschfeld auf dem QP, in welchem der akkumulierte Spin
prazediert. Das Wechselspiel dieser beiden E ekte f uhrt dann z. B. zu einer nichthar-
monischen Abhangigkeit des Leitwerts vom Winkel zwischen den Magnetisierungen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Ein u von Spinanregungen auf den Transport
durch ein QPSV zu untersuchen. Diese konnen entweder in den Elektroden, in den
Tunnelbarrieren oder auf dem QP auftreten. Wir betrachten hier den Ein u von
Spinwellen in den Elektroden, magnetischen Verunreinigungen in den Tunnelbarrieren
und auf dem QP sowie Spinanregungen aufgrund einer komplexen internen Struktur
des QPs im Falle des Transports durch einzelne magnetischer Atome.
Wir untersuchen zunachst den Ein u von Spinwellen auf den Transport durch ein
QPSV. Die Emission und Absorption von Magnonen fuhrt zu Seitenbandern im di e-
rentiellen Leitwert, deren Starke von der magnetischen Orientierung und Polarisation
der Elektroden abhangt. Weiterhin konnen die Spinwellen den Fanofaktor je nach ange-
legter Gatespannung erhohen bzw. erniedrigen. Wir diskutieren ferner die Nichtgleich-
gewichtsbesetzungen der Magnonen in den Elektroden und zeigen, wie die Magnonen
einen komplett spinpolarisierten Strom ohne au ere Spannung treiben k onnen.
Anschlie end diskutieren wir den Ein u magnetischer Verunreinigungen auf den
Transport durch ein QPSV. Im Falle eines Spins in der Tunnelbarriere nden wir ein
kompliziertes Wechselspiel zwischen dem strominduzierten Schalten des Spin in der
Barriere, der Spinakkumulation auf dem QP und des Stroms durch den QP. Im Falle
eines Spins auf dem QP (z. B. realisiert durch einen Kernspin) zeigen wir, wie der
frequenzabhangige Fanofaktor Aufschlu ub er die nichttriviale Spindynamik gibt und
eine experimentelle Bestimmung der Spin-Austausch-Kopplung ermoglicht.
Wir wenden uns dann der inelastischen Spektroskopie einzelner magnetischer Ato-
me zu. Wir zeigen, da ein vollst andiges Verstandnis des beobachteten di erentiellen
Leitwerts nur moglich ist, wenn man eine Nichtgleichgewichtsbesetzung der atomaren
Spinzustande beruc ksichtigt. Ferner schlagen wir vor mit Hilfe des Stromrauschens
weitere Informationen uber die Nichtgleichgewichtsbesetzungen zu erhalten. Daruber
hinaus zeigen wir, da die Abwesenheit gewisser Nichtgleichgewichtse ekte im Expe-
riment durch eine anisotrope Spinrelaxation erklart werden kann.
Obwohl das Austauschfeld wichtig ist, um den Transport durch ein QPSV zu ver-
stehen, hat sich sein experimenteller Nachweis bis jetzt als schwierig erwiesen, da die
meisten Austauschfelde ekte nur bei gro en Polarisationen der Elektroden auftreten.
Wir schlagen hier eine neue Moglichkeit vor, das Austauschfeld experimentell zu de-
tektieren. Koppelt man zusatzlich einen Supraleiter an den QP, so zeigt der Anteil
des Stroms in den Supraleiter, der symmetrisch in der an die Ferromagneten angeleg-
ten Spannung ist, charakteristische Signaturen des Austauschfeldes auch bei kleinen
Polarisationen der Ferromagneten.
IIISummary
In this thesis, we discuss spin-dependent transport through nanostructures. The main
emphasis is put on transport through quantum-dot spin valves (QDSV), i.e., quantum
dots coupled via tunneling barriers to noncollinearly magnetized ferromagnets. Ap-
plying a bias voltage across the system leads to a nonequilibrium spin accumulation
on the quantum dot that has the tendency to block further transport. In addition, a
spin-dependent level renormalization yields an e ective exchange eld that gives rise
to a precession of the accumulated spin. The interplay between these to e ects leads to
interesting transport properties as, e.g., a nonharmonic dependence of the di erential
conductance on the angle between the magnetizations.
The main goal of this thesis is to study the in uence of spin excitations on transport
through a QDSV. These can be located either in the electrodes, in the tunnel barrriers
or on the quantum dot. We investigate the in uence of spin waves in the electrodes,
magnetic impurities in the tunnel barriers or on the dot as well as spin excitations
due to a complex internal structure of the quantum dot that play a role for transport
through single magnetic atoms.
First, we study the in uence of spin waves in the electrodes on transport through the
QDSV. We nd that the emission and absorption of magnons gives rise to side bands
in the di erential conductance whose strength depends on the magnetic orientation
and the polarization of the electrodes. Additionally, the spin waves can increase or
decrease the Fano factor depending on the applied gate voltage. We furthermore
discuss the nonequilibrium occupations of the magnons in the electrodes and show
that the magnons can drive a fully spin-polarized current without a bias voltage.
Next, we discuss the in uence of magnetic impurities on transport through a QDSV.
If the impurity spin is localized in the tunnel barrier, we nd a complicated interplay
between current-induced switching of the barrier spin, the spin accumulation on the
dot and the current through the system. In the case of a spin on the quantum dot,
as, e.g., realized by a nuclear spin, we show how the frequency-dependent Fano factor
provides information about the nontrivial spin dynamics and allows an experimental
determination of the spin-spin exchange coupling.
We then turn to the discussion of spin inelastic tunneling spectroscopy of single
magnetic atoms. We show that a full understanding of the experimentally observed
di erential conductance is only possible if one takes into account nonequilibrium oc-
cupation of the atom spin states. We furthermore demonstrate that the Fano factor
can provide additional information about the nonequilibrium occupations. Finally, we
discuss that the remarkable absence of certain e ects in experiment
can be explained by an anisotropic spin relaxation channel.
Though the exchange eld is found to be important for understanding transport
through a QDSV, experimentally, it has so far been detected only through its splitting
of the Kondo resonance as all other exchange eld e ects rely on large polarizations of
the electrodes. Here, we propose a new way to detect the exchange eld experimentally.
To this end, we consider a QDSV with an additional superconductor coupled to the
quantum dot. The part of the current into the sup that is symmetric
with respect to the bias applied between the ferromagnets then shows characteristic
signatures of the exchange eld even for small polarizations.
IIIIVContents
1 Introduction 1
2 Spin-dependent transport through quantum dots 5
2.1 Transport through quantum dots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Spin-dependent transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Spin accumulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Quantum-dot spin valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Master equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.3 Transport properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.4 Experimental realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Diagrammatic real-time transport theory 29
3.1 Density matrix and propagator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Current and current noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Extension of the diagrammatic theory to systems involving spin degrees
of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Spin waves in quantum-dot spin valves 41
4.1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Reduced density matrix and master equation . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Transport processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.2 Magnon-assisted tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.3 Nonequilibrium magnon distribution . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.4 Magnon-driven electron transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.5 Current noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .