[论文解读] Enhancement of persistent currents in single-isolated-diffusive rings

Santanu K. Maiti, Jayeeta Chowdhury+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文表明，具有位移无序和幂律衰减长程跃迁（按 $\mu$ 缩放）的紧束缚哈密顿量能准确再现介观正常金属环中实验观测到的持久电流的振幅和 $hc/e$ 通量周期性。引入长程跃迁显著增强了持久电流，通过使电子离域化，使电流比以往理论预测的高出数个数量级。

ABSTRACT

We show from exact calculations that a simple tight-binding Hamiltonian with diagonal disorder and long-range hopping integrals, falling off as a power $\mu$ of the inter-site separation, correctly describes the experimentally observed amplitude (close to the value of an ordered ring) and flux-periodicity ($hc/e$) of persistent currents in single-isolated-diffusive normal metal rings of mesoscopic size. Long-range hopping integrals tend to delocalize the electrons even in the presence of disorder resulting orders of magnitude enhancement of persistent current relative to earliar predictions.

研究动机与目标

• 解释孤立介观正常金属环中实验观测到的持久电流大振幅和 $hc/e$ 通量周期性的原因。
• 解决理论预测的持久电流值较小与实验观测到的显著更大值之间的差异。
• 研究以位点间距离的幂 $\mu$ 衰减的长程跃迁积分如何影响电子局域化和电流增强。
• 确定该模型是否能在不依赖相干或弹道输运的情况下重现持久电流的振幅和周期性。

提出的方法

• 对具有位移无序和幂律衰减跃迁积分的紧束缚哈密顿量进行精确对角化。
• 跃迁积分按 $t_{ij} \propto |i-j|^{-\mu}$ 衰减，模拟扩散环中的长程电子隧穿。
• 通过基态能量的导数计算作为环中磁通量函数的持久电流。
• 系统性地改变 $\mu$ 以研究长程跃迁对电流大小和局域化的影响。
• 将结果与有序环及缺乏长程跃迁的先前无序模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有长程跃迁的无序紧束缚模型能否重现介观环中实验观测到的持久电流振幅？
• RQ2 包含幂律衰减长程跃迁是否能恢复实验中观测到的 $hc/e$ 通量周期性？
• RQ3 与短程或最近邻模型相比，长程跃迁积分在多大程度上增强了持久电流？
• RQ4 由于长程跃迁导致的电子离域化在无序存在下如何影响持久电流的鲁棒性？

主要发现

• 该模型成功重现了实验观测到的持久电流振幅，接近有序环所预期的值。
• 持久电流的通量周期性被正确预测为 $hc/e$，与实验测量结果一致。
• 即使在存在位移无序的情况下，长程跃迁积分也显著使电子离域化，从而减弱局域化效应。
• 与基于短程跃迁模型的早期理论预测相比，持久电流被增强了数个数量级。
• 当幂律指数 $\mu$ 取中间值时，增强效果最为显著，此时离域化与无序效应达到最佳平衡。