[論文レビュー] Enhancement of persistent currents in single-isolated-diffusive rings

Santanu K. Maiti, Jayeeta Chowdhury+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、対角的無秩序と長距離 hopping（$\mu$に比例して減衰する）を有するタイトビンディングハミルトニアンが、メソスコピックな正孔金属リングにおける実験的に観測された持久的電流の振幅および $hc/e$ 磁束周期性を正確に再現できることを示している。長距離 hoppingの導入により、電子の拡散が促進され、従来の予測よりも数個のオーダーも大きい持久的電流が得られる。

ABSTRACT

We show from exact calculations that a simple tight-binding Hamiltonian with diagonal disorder and long-range hopping integrals, falling off as a power $\mu$ of the inter-site separation, correctly describes the experimentally observed amplitude (close to the value of an ordered ring) and flux-periodicity ($hc/e$) of persistent currents in single-isolated-diffusive normal metal rings of mesoscopic size. Long-range hopping integrals tend to delocalize the electrons even in the presence of disorder resulting orders of magnitude enhancement of persistent current relative to earliar predictions.

研究の動機と目的

• 孤立したメソスコピックな正孔金属リングにおける実験的に観測された大きな電流振幅および $hc/e$ 磁束周期性を説明すること。
• 理論的予測が小さい持久的電流を示すのに対し、実験でははるかに大きな値が観測されることとの乖離を解消すること。
• サイト間距離のべき乗 $\mu$ に従って減衰する長距離 hopping 結合が、電子の局在化および電流増幅に与える影響を調査すること。
• このようなモデルが、コherent または ballistic な輸送を仮定せずに、電流の振幅と周期性の両方を再現できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 対角的無秩序とべき乗則に従って減衰する hopping 結合を有するタイトビンディングハミルトニアンの正確な固有値分解。
• hopping 結合は $t_{ij} \propto |i-j|^{-\mu}$ に比例して減少し、拡散的リングにおける長距離電子トンネルをモデル化する。
• 基底状態エネルギーの微分を用いて、リングを貫る磁束関数としての持久的電流の計算。
• $\mu$ の系統的変動により、長距離 hopping が電流の大きさと局在化に与える影響を調査。
• 長距離 hopping を欠如させた従来の秩序あり・無秩序モデルおよび秩序ありリングとの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離 hopping を有する無秩序タイトビンディングモデルは、メソスコピックリングにおける実験的に観測された持久的電流の振幅を再現できるか？
• RQ2 べき乗則に従って減衰する長距離 hopping の導入により、実験で観測された $hc/e$ 磁束周期性が回復するか？
• RQ3 短距離または最近接近接モデルと比較して、長距離 hopping 結合はどの程度持久的電流を増幅させるか？
• RQ4 長距離 hopping による電子の拡散が、無秩序の存在下でも持久的電流の頑健性にどのように影響するか？

主な発見

• モデルは、秩序ありリングが予測する値に近い、実験的に観測された持久的電流の振幅を正確に再現できた。
• 持久的電流の磁束周期性は $hc/e$ として正しく予測され、実験測定と整合的である。
• 長距離 hopping 結合により、対角的無秩序が存在する中でも電子の拡散が顕著に進行し、局在化効果が低減された。
• 従来の短距離 hopping モデルに基づく理論的予測よりも、持久的電流は数個のオーダーも大きく増幅された。
• 長距離 hopping の効果は、べき乗指数 $\mu$ が中程度の値をとる場合に最も顕著であり、拡散と無秩序の効果のバランスが取れている。