[論文レビュー] Negative differential conductivity and population inversion in the double-dot system connected to three terminals

Lev Murokh, Anatoly Yu. Smirnov|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、共通の左リードと別個の右リードに並列に接続された二重量子ドット系にアハロノフ＝ボームフラックスをかける系を検討する。磁束とバイアス電圧を調整することで、強いクーロン反発力が人口逆転および負微分コンダクタンスを可能にし、弱い反発力では人口逆転を介したマイクロ波増幅が生じることを示した。両者ともAB位相および電圧によって制御可能である。

ABSTRACT

We examine transport and microwave properties of two coupled quantum dots taken in parallel connection to the common left lead and connected to separate leads at their right side. In addition, the area between the left lead and the double-dot structure is threaded by Aharonov-Bohm magnetic flux. We determine the energies and populations of double-dot levels on the microscopic basis taking into account the interdot Coulomb interaction and show that at large lead-to-lead bias the population inversion can be achieved. For the case of strong Coulomb repulsion, this inversion leads to level crossing accompanied by the region of negative differential conductivity in the current-voltage characteristics, whereas for weaker Coulomb repulsion, the resonant microwave absorption becomes negative at high lead-to-lead voltage.

研究の動機と目的

• 非対称な端子接続を有する二重量子ドット系における輸送およびマイクロ波応答を分析すること。
• アハロノフ＝ボームフラックスが準位の分布および電流-電圧特性に与える影響を調査すること。
• ドット間クーロン相互作用の存在下で、人口逆転および負微分コンダクタンスが発生する条件を特定すること。
• 非平衡量子ドット系において、人口逆転を介したマイクロ波増幅の可能性を検討すること。
• クーロン反発力の強さが、負微分コンダクタンスおよび増幅を有効にするか否かに果たす役割を検討すること。

提案手法

• ドット間クーロン相互作用、トンネル過程、リードとの結合を含む第二量子化ハミルトニアンを用いて系をモデル化する。
• 運動方程式を用いてグリーン関数を導出し、準位の分布およびエネルギーを自己無撞撃的に決定する。
• トンネル行列要素におけるペイエルズゲージ因子を用いて、アハロノフ＝ボーム位相を導入する。
• 左リードおよび右リードのフェルミ・ディラック分布関数を用いて、電圧およびAB位相の関数として準位の分布を計算する。
• 抗結合状態および結合状態のエネルギーにおけるリード分布関数の重み付き差を用いた式により、電流-電圧特性を計算する。
• エネルギー差と分布差の積を用いてマイクロ波吸収を評価し、負の値は増幅を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称な端子結合およびABフラックスを有する三端子二重ドット系で人口逆転を達成できるか？
• RQ2 アハロノフ＝ボーム位相は、二重ドット系における結合状態および抗結合状態の分布およびエネルギー準位にどのように影響するか？
• RQ3 電流-電圧特性において、負微分コンダクタンスが発生する条件は何か？
• RQ4 この系はマイクロ波増幅を示すか？ もし示すならば、どのようなバイアスおよびクーロン相互作用条件下で発現するか？
• RQ5 マイクロ波増幅は、系を貫く磁束により制御可能か？

主な発見

• 高バイアス電圧下で、ABフラックスおよび強いクーロン反発力のおかげで、抗結合状態の分布が結合状態を上回る人口逆転が達成される。
• 強いクーロン反発力（U = 8Δ）の下では、準位の交差および抗結合状態の非導電性により、電流-電圧曲線に負微分コンダクタンス領域が現れる。
• 弱いクーロン反発力（U = 2Δ）の下では、結合状態が基底状態のまま維持されるが、高電圧で人口逆転が発生し、マイクロ波吸収が負となる。
• U = 2Δの高バイアス下でマイクロ波増幅が観測され、増幅のしきい値および強度はアハロノフ＝ボーム位相によって調整可能である。
• 電流-電圧特性は、抗結合状態が非導電的になる電圧で急激に低下し、負微分コンダクタンスの発生を確認する。
• 系の輸送およびマイクロ波応答はAB位相によって強く調制され、人口逆転および増幅の外部制御が可能になる。