[논문 리뷰] Nonequilibrium Seebeck and spin Seebeck effects in nanoscale junctions

Anand Manaparambil, Ireneusz Weymann|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 19.

Quantum and electron transport phenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수치적 재규준화군(NRG)을 사용한 강한 결합 영역과 섭동 이론을 사용한 약한 결합 영역을 통해, 페로자성 리드에 비대칭으로 결합된 양자점에서의 비평형 열전기 효과 및 스핀 세이벡 효과를 다룬다. Kondo 공명의 스핀 분열이 스핀 터널링 및 외부 자기장에 의해 영향을 받는 현상은, 유한한 전압 및 온도 기울기 조건에서 새로운 부호 변화를 유도하며, 스핀 편향에 의한 스핀 세이벡 계수의 부호 변화는 Kondo 피크를 초월한 스펙트럼 함수 특성과 관련이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비평형 조건에서 강한 상관관계를 가진 나노스케일 접합에서 Kondo 상관관계와 스핀 의존 전도 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 페로자성 리드에서 기인한 교환장이 Kondo 공명을 어떻게 수정하고 열전기 반응에 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 유한한 전압 기울기 및 온도 기울기 조건에서 차등 및 비평형 세이벡 계수를 분석하기 위해.
• 스핀 축적 및 스핀 편향이 비선형 스핀 세이벡 효과를 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 열전력 및 스핀 세이벡 반응에서 Kondo 공명 분열 및 억제의 특징을 식별하기 위해.

제안 방법

• 강한 결합된 페로자성 리드(여기서 Kondo 물리가 支배함)와 약한 결합된 리드(비자성 또는 페로자성)에 비대칭적으로 결합된 양자점이 고려된다.
• 강한 결합 영역은 Kondo 상관관계를 정확히 기록하기 위해 수치적 재규준화군(NRG) 방법을 사용한다.
• 약한 결합된 리드에 대해서는 터널링 강도에 대한 섭동 전개를 사용하여 비선형 반응 계산이 가능해진다.
• 스핀 분해 전도 형식을 사용하여, 전압, 온도 기울기 및 스핀 편향에 따른 세이벡 계수를 계산한다.
• 전체 해밀토니안, 즉 현위 상호작용 및 교환 분열을 포함하여 스펙트럼 함수 및 전도 계수를 유도한다.
• 페로자성 리드의 평행 및 반대 평행 자화 상태에서 스핀 세이벡 및 전하 세이벡 계수를 분석한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 교환장에 의한 Kondo 공명 분열이 유한한 외부 전압 조건에서 차등 및 비평형 세이벡 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 온도 기울기 조건에서 Kondo 억제 및 공명 분열의 열전력 반응에서의 특징은 무엇인가?
• RQ3 리드 내 스핀 축적이 유도하는 스핀 편향이 비선형 스핀 세이벡 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 페로자성 리드의 자화 상태(평행 대 반대 평행)가 세이벡 계수의 부호 변화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 Kondo 상관관계와 스핀 의존 터널링의 상호작용이 비선형 반응 영역에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 세이벡 계수는 전압 기울기의 함수로 새로운 부호 변화를 보이며, 이는 페로자성 리드에서 기인한 교환장에 의한 Kondo 공명 분열과 직접적으로 연관되어 있다.
• 이러한 부호 변화는 Kondo 온도 수준의 온도 기울기 조건에서도 유지되며, Kondo 물리의 강건한 비평형 서명을 나타낸다.
• 전하 세이벡 계수에는 스핀 편향 $V_s$ 의 함수로 두 번째 부호 변화가 나타나며, $V_s \approx -0.15U$ 및 $V_s \approx 0.03U$ 에서 발생하며, $\Delta T$ 가 증가함에 따라 간격이 벌어진다.
• 스핀 세이벡 계수는 $V_s \approx U/4$ 근처의 양의 스핀 편향 영역에서 단일 부호 변화를 보이며, $\Delta T$ 가 증가함에 따라 더 높은 값으로 이동한다.
• 평행 구성 상태에서는 $V_s \approx 0.2U$ 에서 $V_s \approx U/2$ 사이에 추가적인 작은 부호 변화 영역이 나타나며, 이는 Kondo 피크와 Hubbard 피크 사이의 스펙트럼 특성에 기인한다.
• 스핀 세이벡 계수의 거동는 자화 상태에 따라 거의 영향을 받지 않으며, 유일한 약간의 진폭 차이를 제외하고는 비-Kondo 스펙트럼 특성에 의해 지배됨을 나타낸다.

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