[論文レビュー] Zero-field splitting of Kondo resonances in a carbon nanotube quantum dot

Jesper Nygård, William F. Koehl+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、カーボンナノチューブ量子ドットとフェロ磁性触媒ナノ粒子の結合によって引き起こされるゼロ磁場におけるKondo共鳴の分割を報告している。非単調な温度依存性の電導度とゼロ磁場における微細な分割が観測された。分割幅は約0.12 mVであり、外部磁場ではなく磁性不純物との相互作用を示しており、デバイスがフェロ磁性接触Kondoドットとして機能している可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present low-temperature electron transport measurements on a single-wall carbon nanotube quantum dot exhibiting Kondo resonances at low temperature. Contrary to the usual behavior for the spin-1/2 Kondo effect we find that the temperature dependence of the zero bias conductance is nonmonotonic. In nonlinear transport measurements low-energy splittings of the Kondo resonances are observed at zero magnetic field. We suggest that these anomalies reflect interactions between the nanotube and a magnetic (catalyst) particle. The nanotube device may effectively act as a ferromagnetically contacted Kondo dot.

研究の動機と目的

• 低温度における単層カーボンナノチューブ量子ドットにおける異常なKondo共鳴挙動の原因を調査すること。
• 観測されたゼロ磁場におけるKondo共鳴の分割が外部磁場によるものか、内部の磁性不純物によるものかを特定すること。
• 残留触媒ナノ粒子がナノチューブベースの量子ドットにおけるKondo物理学をどのように変化させるかを調査すること。
• 磁性不純物との結合が、カーボンナノチューブにおける将来のスピントロニクスおよび量子計算応用に与える影響を評価すること。

提案手法

• 電子温度が約80 mKのデュアルリフリッジャーを用いた低温度電子輸送測定が実施された。
• 約5 mVの交流励起とソース・ドレイン電圧バイアスを用いたロックイン技術により、二端子電導度が測定された。
• ゲート電圧（Vg）とソース・ドレイン電圧（V）を関数として微小電導度（dI/dV）をマッピングし、Kondo共鳴およびクーロン遮断ダイヤモンドを特定した。
• ゼロバイアス電導度の温度依存測定を用いて、Kondoピークの非単調な挙動を分析した。
• 磁場を-0.5 Tから+0.5 Tにスイープし、分割の磁場依存性を調べた。データは明確化のためオフセットされた。
• 量子ドットが単一のフェロ磁性リードに結合したKondo効果の理論モデルを用いて、観測された分割および非単調な温度依存性を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 このカーボンナノチューブ量子ドットにおけるゼロバイアス電導度の非単調な温度依存性の原因は何ですか？
• RQ2 標準的なスピン1/2 Kondo挙動とは対照的に、ゼロ磁場でもKondo共鳴が分割されるのはなぜですか？
• RQ3 観測された分割が外部磁場ではなく磁性不純物に起因する可能性はありますか？
• RQ4 フェロ磁性触媒ナノ粒子への結合が、カーボンナノチューブにおけるKondo共鳴形成にどのように影響するでしょうか？
• RQ5 ナノチューブの製造過程における磁性不純物が、ナノスケールデバイスにおけるKondo物理学をどの程度変化させるでしょうか？

主な発見

• ゼロバイアス電導度は、標準的なKondo系では予想される単調な減少とは対照的に、約200 mKまで増加し、その後減少する非単調な温度依存性を示した。
• ゼロ磁場において約0.12 mVの微細な分割がKondo共鳴で観測され、磁場に依存しないエネルギー分割を示している。
• 小さな有限磁場（約0.15 mT）で分割が最小値に達し、外部磁場によるゼーマン分裂とは整合しない。
• 磁場依存性は非対称的であり、非磁性不純物や弱い外部磁場では説明できない。
• データは、フェロ磁性不純物（おそらく鉄含有の触媒ナノ粒子）が量子ドットに結合していることを強く支持している。
• 単一のフェロ磁性リードに結合したKondoドットの理論モデルは、観測された非単調な温度依存性および分割を再現でき、この解釈を支持している。