[論文レビュー] Nonequilibrium Seebeck and spin Seebeck effects in nanoscale junctions

Anand Manaparambil, Ireneusz Weymann|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、強い結合のフェロ磁性リードに非対称に結合した量子ドットにおける非平衡熱電およびスピン・ゼーベック効果を、強い結合では数値縮約群（NRG）法、弱い結合では摂動論的手法を用いて調査した。交換場によるクーパー対の分裂に起因するゼーベック係数の新たな符号反転が明らかになり、有限の電圧および温度勾配下で明確な特徴を示し、スピンバイアスによって引き起こされるスピン・ゼーベック係数の符号反転は、クーパー対ピークを超えるスペクトル関数の特徴と関連している。

ABSTRACT

The spin-resolved thermoelectric transport properties of correlated nanoscale junctions, consisting of a quantum dot/molecule asymmetrically coupled to external ferromagnetic contacts, are studied theoretically in the far-from-equilibrium regime. One of the leads is assumed to be strongly coupled to the quantum dot resulting in the development of the Kondo effect. The spin-dependent current flowing through the system, as well as the thermoelectric properties, are calculated by performing a perturbation expansion with respect to the weakly coupled electrode, while the Kondo correlations are captured accurately by using the numerical renormalization group method. In particular, we determine the differential and nonequilibrium Seebeck effects of the considered system in different magnetic configurations and uncover the crucial role of spin-dependent tunneling on the device performance. Moreover, by allowing for spin accumulation in the leads, which gives rise to finite spin bias, we shed light on the behavior of the nonequilibrium spin Seebeck effect.

研究の動機と目的

• 強い相関を持つナノスケール接合におけるKondo相関とスピン依存輸送の相互作用を、非平衡条件下で理解すること。
• フェロ磁性リードからの交換場がKondo共鳴をどのように修正し、熱電応答に影響を与えるかを調査すること。
• 有限の電圧および温度勾配下における微分的および非平衡ゼーベック係数を分析すること。
• スピン蓄積およびスピンバイアスが非線形スピン・ゼーベック効果をどのように生成するかを検討すること。
• 熱電力およびスピン・ゼーベック応答におけるKondo共鳴の分裂および抑制の特徴を特定すること。

提案手法

• 量子ドットは、強い結合のフェロ磁性リード（Kondo物理学が支配的）および弱い結合のリード（非磁性またはフェロ磁性）に非対称に結合する。
• 強い結合部分は、Kondo相関を正確に捉えるために数値縮約群（NRG）法を用いる。
• 弱い結合のリードはトンネル幅の摂動展開を用い、非線形応答計算を可能にする。
• ゼーベック係数は、スピン分解輸送形式を用いてバイアス電圧、温度勾配、スピンバイアスの関数として計算される。
• スペクトル関数および輸送係数は、局所的クーロン相互作用および交換分裂を含む全ハミルトニアンから導出される。
• スピン・ゼーベックおよび電荷・ゼーベック係数は、リードの平行および反平行磁気的配置の両方で分析される。

Figure 1: The schematic of the considered asymmetric tunnel junction with embedded quantum dot/molecule strongly coupled to a cold ferromagnetic left lead and weakly coupled to a hot (a) nonmagnetic or (b) ferromagnetic right lead. The right lead is subject to voltage and temperature gradients, whil

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交換場によるKondo共鳴の分裂が、有限バイアス下での微分的および非平衡ゼーベック係数にどのように影響を与えるか。
• RQ2 温度勾配下における熱電力において、Kondo抑制および共鳴分裂の特徴は何か。
• RQ3 スピン蓄積に起因するスピンバイアスが、非線形スピン・ゼーベック効果にどのように影響を与えるか。
• RQ4 フェロ磁性リードの磁気的配置（平行対比と反平行対比）が、ゼーベック係数の符号反転に果たす役割は何か。
• RQ5 Kondo相関とスピン依存トンネルの相互作用が、非線形応答領域にどのように現れるか。

主な発見

• ゼーベック係数は、フェロ磁性リードからの交換場によるKondo共鳴の分裂に起因して、バイアス電圧の関数として新たな符号反転を示す。
• これらの符号反転は、Kondo温度のオーダーの温度勾配に対しても持続するため、Kondo物理学の強固な非平衡的特徴であることが示された。
• スピンバイアス $V_s$ の関数として、電荷・ゼーベック係数に第二の符号反転が現れ、$V_s \approx -0.15U$ および $V_s \approx 0.03U$ で観測され、$ abla T$ が増加するにつれて離れる。
• スピン・ゼーベック係数は、正のスピンバイアス領域で $V_s \approx U/4$ の周辺に符号反転を示し、$ abla T$ が増加するにつれて高い値へとシフトする。
• 平行配置では、$V_s \approx 0.2U$ から $V_s \approx U/2$ の範囲に、Kondoピークとハッブルピークの間のスペクトル特徴に起因する小さな符号反転領域が追加で出現する。
• スピン・ゼーベック係数の挙動は、磁気的配置にほとんど依存せず、わずかな振幅差を除いては、Kondo以外のスペクトル特徴によって支配されていることが示された。

Figure 2: The energy dependence of the spectral functions for the individual spin channels, (a) $A_{L\uparrow}(\omega)$ and (b) $A_{L\downarrow}(\omega)$ calculated for the strongly coupled left subsystem with orbital energies as indicated. The zoomed Kondo and split-Kondo peaks are shown in the ins