[論文レビュー] Spin-polarization and resonant states in electronic conduction through a correlated magnetic layer

Andreas Weh, Wilhelm H. Appelt+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 46被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、非相互作用性の通常金属リードと挟まれた相関磁性層を介したスピン極化電子輸送を、単バンドタイトバインディングモデルと実空間ダイナミカルメタンフィールド理論（DMFT）を組み合わせて調査する。両者の結合強度と局所的電子相関が、スペクトル関数と電導度に顕著な影響を及ぼすことが示され、相関効果によりバンド構造がシフトし、共鳴状態が拡張されることでスピン極化が強化されることを明らかにする。

ABSTRACT

The transmission through a magnetic layer of correlated electrons sandwiched between non-interacting normal-metal leads is studied within model calculations. We consider the linear regime in the framework of the Meir-Wingreen formalism, according to which the transmission can be interpreted as the overlap of the spectral function of the surface layer of the leads with that of the central region. By analyzing these spectral functions, we show that a change of the coupling parameter between the leads and the central region significantly and non-trivially affects the conductance. The role of band structure effects for the transmission is clarified. For a strong coupling between the leads and the central layer, high-intensity localized states are formed outside the overlapping bands, while for weaker coupling this high-intensity spectral weight is formed within the leads' continuum band around the Fermi energy. A local Coulomb interaction in the central region modifies the high-intensity states, and hence the transmission. For the present setup, the major effect of the local interaction consists in shifts of the band structure, since any sharp features are weakened due to the macroscopic extension of the configuration in the directions perpendicular to the transport direction.

研究の動機と目的

• 電子相関とリード-中心領域間の結合強度が磁性ヘテロ構造におけるスピン極化輸送に与える影響を理解すること。
• バンド構造と界面効果が透過率および電導度を決定づける役割を明確化すること。
• 相関効果下における中心磁性領域内の共鳴状態および束縛状態の形成と性質を調査すること。
• 局所的クーロン相互作用が非平衡状態におけるスペクトル関数および透過率に与える影響を評価すること。
• DMFTをMeir-Wingreen形式に組み合わせた枠組みを構築し、スピントロニクス素子における相関電子輸送をモデル化すること。

提案手法

• 非相互作用性リードに接続された磁性層を記述するための単バンドタイトバインディングハミルトニアンを用いる。
• 線形応答領域における電子透過率を計算するためにMeir-Wingreen形式を適用する。
• 中心領域における局所的電子相関を扱うために実空間ダイナミカルメタンフィールド理論（DMFT）を用いる。
• Meir-Wingreen式との重ね合わせを通じて、中心領域およびリード表面のスペクトル関数を計算し、透過率を分析する。
• リードと中心領域間の結合強度を変化させ、スペクトル重み分布への非自明な影響を検討する。
• 局所的クーロン相互作用がバンド構造をどのようにシフトさせ、特にリードの連続スペクトル外の共鳴状態を広げることによる影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リードと中心磁性領域間の結合強度がスペクトル関数および電導度に与える影響は何か？
• RQ2 バンド構造の一致と不一致がスピン極化透過率に果たす役割は何か？
• RQ3 中心領域における局所的電子相関が共鳴状態および束縛状態をどのように変化させ、電導度への寄与を変えるか？
• RQ4 電子相関が透過関数におけるスピン極化をどのように強化または抑制するか？
• RQ5 結合強度および相関強度を変化させた場合、中心領域のスペクトル的特徴（例：共鳴状態）はどのように変化するか？

主な発見

• リードと中心磁性領域との強い結合は、バンド連続スペクトル外に高強度の局在状態を生じさせる。
• 弱い結合の場合は、フェルミエネルギー付近のリードの連続スペクトル帯内に高いスペクトル重みが現れる。
• 局所的クーロン相互作用は、中心領域のバンド構造をシフトさせるが、これが相関効果の主因である。
• 輸送方向に垂直な方向への系の巨視的拡張により、鋭いスペクトル特徴が弱体化する。
• リードの連続スペクトル外に位置する共鳴状態は、電子相関によって顕著に広がり、そのコherenecが低下する。
• 相関効果によるバンド構造のシフトにより、スピンアップチャンネルの透過が増幅され、スピン極化が増大する。