[論文レビュー] The effect of Coulomb correlations on non-equilibrium charge redistribution tuned by the tunneling current

P. I. Arseyev, N.S. Maslova+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2011

Quantum and electron transport phenomena参考文献 23被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、トンネル電流下における2準位量子系のクーロン相関が非平衡状態での電荷再分配を引き起こす仕組みを、電子占有数の正確なハイゼンベルグ方程式を用いて調査している。非平衡状態における急激な電荷ジャンプ、逆占有状態、および負のトンネル電導度が生じる——特にトンネル率が非対称で、準位がフェルミ準位よりも上にある場合に顕著に現れる。

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.

研究の動機と目的

• 強いクーロン相関がトンネル電流下における局在的2準位系の非平衡状態での電荷分布に与える影響を理解すること。
• クーロン相互作用が非単調な電子占有数の変化および急激な電荷再分配を引き起こす役割を分析すること。
• 電子相関によって生じる逆占有状態（高エネルギー準位に高い占有数）が出現する条件を調査すること。
• 非対称トンネル率構成における負のトンネル電導度の起源と成立条件を特定すること。
• 平均場近似を越えて、すべてのオーダーの電子相関効果を正確に取り扱う手法を提供すること。

提案手法

• 無限大の局所的および準位間クーロン反発を有する2準位スピンなしフェルミオンモデルを、トンネル項および相互作用項を含む完全なハミルトニアンで定式化する。
• 電子占有数のハイゼンベルグ運動方程式を適用し、局所的電子密度におけるすべてのオーダーの相関を正確に扱う。
• 印加バイアスによって駆動される非平衡状態において、占有数およびその相関関数の閉じた方程式系を解く。
• 左および右のリードからのトンネル率（Γ）を制御パラメータとして用い、非対称結合をシミュレートし、I-V特性を解析する。
• フェルミ準位の上、下、または反対側にある準位の配置の異なる状況で、系を分析する。
• ハイゼンベルグ方程式から得られる電子数演算子の時間微分を用いてトンネル電流を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クーロン相関は、トンネル電流下における2準位系の非平衡状態での電荷分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのような条件下で、電子相関によって高エネルギー準位に高い占有数（逆占有状態）が出現するか？
• RQ3 非対称トンネル率が負のトンネル電導度を生成する役割を果たすか？
• RQ4 準位の相対的エネルギー位置（フェルミ準位の上／下）が、非単調な占有数応答の出現にどのように影響するか？
• RQ5 すべてのオーダーの相関を正確に取り扱うことで、平均場的または摂動的アプローチでは見えない特徴が明らかになるか？

主な発見

• 特定のバイアス電圧で電子占有数に急激なジャンプが観測され、クーロン相関によって駆動される非平衡状態の類似相転移が示唆される。
• 強いクーロン反発と非対称トンネルにより、高エネルギー準位が低エネルギー準位よりも多く占有される逆占有状態が観測される。
• 2つの準位からのトンネル率が非対称な場合、特に両準位がフェルミ準位よりも上にある場合に負のトンネル電導度が出現する。
• 高エネルギー準位が右リードへより大きなトンネル率を持つ場合、その効果は顕著となり、電圧上昇に伴い電流が減少する。
• 電荷再分配は、準位がフェルミ準位に対して相対的にどの位置にあるかに強く依存し、両準位がフェルミ準位よりも上にある場合に最も顕著な効果を示す。
• モデルは、クーロン相関がKondo効果や共鳴トンネル効果が存在しない場合でも、非自明なI-V特性（特に負微分電導）を生じうることを示している。