[논문 리뷰] The effect of Coulomb correlations on non-equilibrium charge redistribution tuned by the tunneling current

P. I. Arseyev, N.S. Maslova외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 01.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 23인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 터널링 전류 하에서 두 수준 양자 시스템에서 쿨롱 상호작용이 비평형 전하 재분포를 어떻게 유도하는지, 전자 높이 수를 정확히 기술하는 헤이젠베르크 운동 방정식을 사용하여 조사한다. 이는 터널링 비율이 비대칭이고 수준이 페르미 수준보다 위에 있을 경우에 특히 두드러지게 나타나는 급격한 전하 이동, 역점유 및 음의 터널링 전도도를 포함한다.

ABSTRACT

It was shown that tunneling current flowing through a system with Coulomb correlations leads to charge redistribution between the different localized states. Simple model consisting of two electron levels have been analyzed by means of Heisenberg motion equations taking into account all order correlations of electron filling numbers in localized states exactly. We consider various relations between Coulomb interaction and localized electron energies. Sudden jumps of electron density at each level in a certain range of applied bias have been found. We found that for some parameter range inverse occupation in the two-level system appeared due to Coulomb correlations. It was shown also that Coulomb correlations lead to appearance of negative tunneling conductivity at certain relation between the values of tunneling rates from the two electronic levels.

연구 동기 및 목표

• 터널링 전류 하에서 국소화된 두 수준 시스템의 비평형 전하 분포에 강한 쿨롱 상호작용이 미치는 영향을 이해하는 것.
• 쿨롱 상호작용이 비단조화적인 전자 높이 수 변화와 급격한 전하 재분포를 유도하는 역할를 분석하는 것.
• 전자 상호작용으로 인해 고에너지 수준에 더 높은 점유도가 나타나는 역점유 현상이 발생하는 조건을 조사하는 것.
• 비대칭 터널링 비율 구성에서 음의 터널링 전도도가 발생하는 근본 원인과 조건을 규명하는 것.
• 평균장 근사 이론을 초월하여 모든 차수의 전자 상관 효과를 정확히 다루는 것.

제안 방법

• 무한한 온사이트 및 수준 간 쿨롱 반발력을 가진 두 수준 비스핀 페르미온 모델을 정의하며, 터널링 및 상호작용 항을 포함한 전체 해밀토니안을 사용한다.
• 전자 높이 수에 대한 헤이젠베르크 운동 방정식을 적용하여 국소 전자 밀도의 모든 차수의 상관 효과를 정확히 고려한다.
• 가해진 전압에 의해 유도되는 비평형 조건 하에서 높이 수와 그 상관관계를 포함한 닫힌 방정식계를 해결한다.
• 터널링 비율(Γ)을 왼쪽 및 오른쪽 도파이드에서 제어 변수로 사용하여 비대칭 결합을 시뮬레이션하고 I-V 특성을 연구한다.
• 에너지 수준의 다양한 구성 조건(모두 페르미 수준 위, 모두 아래, 또는 서로 반대 쪽)에서 시스템을 분석한다.
• 헤이젠베르크 운동 방정식에서 유도된 전자 수 연산자의 시간 도함수를 통해 터널링 전류를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿨롱 상호작용은 터널링 전류 하에서 두 수준 시스템의 비평형 전하 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 조건에서 전자 상호작용으로 인해 고에너지 수준에 더 높은 점유도가 나타나는 역점유 현상이 발생하는가?
• RQ3 비대칭 터널링 비율은 음의 터널링 전도도를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 에너지 수준의 상대적 위치(페르미 수준 위/아래)는 비단조화적인 높이 수 반응의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 모든 차수의 상관 효과를 정확히 다룰 경우, 평균장 또는 섭동 이론 접근법에서 누락된 특징들이 드러나는가?

주요 결과

• 특정 전압에서 전자 높이 수의 급격한 변화가 관찰되어 쿨롱 상호작용에 의해 유도된 비평형 단계 유사 전이가 발생함을 시사한다.
• 강한 쿨롱 반발력과 비대칭 터널링으로 인해 고에너지 수준이 저에너지 수준보다 더 높은 점유도를 가지는 역점유 현상이 관측된다.
• 두 수준의 터널링 비율이 비대칭일 경우 음의 터널링 전도도가 나타나며, 특히 두 수준이 모두 페르미 수준 위에 있을 때 두드러진다.
• 고에너지 수준이 오른쪽 도파이드로 더 큰 터널링 비율을 가지는 경우 이 효과가 가장 강하게 나타나며, 이는 전압 증가에 따라 순전류가 감소하는 결과를 초래한다.
• 전하 재분포의 정도는 수준 간 페르미 수준에 대한 상대적 위치에 크게 의존하며, 두 수준이 모두 페르미 수준 위에 있을 때 가장 강한 영향을 받는다.
• 모델은 쿨롱 상호작용이 Kondo 효과나 공 resonance 터널링 없이도 비틀린 I-V 특성, 특히 음의 미분 전도도를 유도할 수 있음을 보여준다.