[논문 리뷰] Spin-polarization and resonant states in electronic conduction through a correlated magnetic layer

Andreas Weh, Wilhelm H. Appelt외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 46인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 단일 밴드 타이트버드 모델과 실공간 동적 평균장 이론(DMFT)을 조합하여 비상호작용 정상 금속 리드 사이에 끼워진 상호작용하는 자기적 층을 통과하는 스핀 균형 전자 운반을 조사한다. 이는 리드와 중심 영역 간의 결합 강도와 국소 전자 상호작용이 스펙트럼 함수와 도전도에 크게 영향을 주며, 상호작용이 밴드 구조를 이동시키고 공명 상태를 넓혀 스핀 균형을 증가시킴을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전자 상호작용과 리드-중심 영역 간 결합 강도가 자기 이종구조에서 스핀 균형 운반에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 밴드 구조 및 표면 효과가 전송 및 도전도를 결정하는 데 수행하는 역할를 명확히 하는 것.
• 상호작용 효과 하에서 중심 자기적 영역 내 공명 및 결합 상태의 형성과 성질을 조사하는 것.
• 국소 쿠론 상호작용이 비평형 운반에서 스펙트럼 함수와 전송에 미치는 영향를 평가하는 것.
• Meir-Wingreen 형식 내 DMFT를 활용하여 스핀트로닉스 장치에서 상호작용 전자 운반을 모델링할 수 있는 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 비상호작용 리드에 연결된 자기적 층을 모델링하기 위해 단일 밴드 타이트버드 해밀토니안을 사용하는 것.
• 선형 반응 영역에서 전자 전송을 계산하기 위해 Meir-Wingreen 형식을 적용하는 것.
• 중심 영역의 국소 전자 상호작용을 처리하기 위해 실공간 동적 평균장 이론(DMFT)을 사용하는 것.
• 전송을 Meir-Wingreen 공식과의 오버랩을 통해 분석하기 위해 중심 영역과 리드 표면의 스펙트럼 함수를 계산하는 것.
• 리드와 중심 영역 간의 결합 강도를 변화시켜 스펙트럼 무게 분포에 미치는 비직관적 영향를 연구하는 것.
• 국소 쿠론 상호작용이 밴드 구조를 어떻게 이동시키고 공명 상태를 넓히며, 특히 리드 연속체 외부에서 어떻게 영향을 미치는지 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리드와 중심 자기적 영역 간의 결합 강도가 스펙트럼 함수와 도전도에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ2 밴드 구조의 일치 및 불일치가 스핀 균형 전송에 미치는 역할는 무엇인가?
• RQ3 중심 영역 내 국소 전자 상호작용이 공명 및 결합 상태를 어떻게 수정하고 도전도에 기여하는가?
• RQ4 전자 상호작용이 전송 함수에서 스핀 균형을 증가시키거나 억제하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 다양한 결합 및 상호작용 강도 하에서 중심 영역의 스펙트럼 특성(예: 공명 상태)은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 리드와 중심 자기적 영역 간 강한 결합은 밴드 연속체 외부에 고강도 국소 상태를 유도한다.
• 약한 결합 조건에서는 리드의 연속체 밴드 내부에서 패피 에너지 근처에 높은 스펙트럼 무게가 나타난다.
• 국소 쿠론 상호작용은 중심 영역의 밴드 구조를 이동시키며, 이는 상호작용의 주요 효과이다.
• 운반 방향에 수직인 방향으로 시스템의 매크로스코픽 확장으로 인해 날카운 스펙트럼 특징이 약화된다.
• 리드 연속체 외부에 위치한 공명 상태는 전자 상호작용으로 인해 크게 넓어지며, 이로 인해 그 위상 일관성이 감소한다.
• 상호작용에 의해 유도된 밴드 구조 이동으로 인해 majority 스핀 채널의 전송이 향상되어 스핀 균형이 증가한다.