[论文解读] Negative differential conductivity and population inversion in the double-dot system connected to three terminals

Lev Murokh, Anatoly Yu. Smirnov|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了一个双量子点系统，该系统并联连接至一个公共的左端电极和独立的右端电极，并受到Aharonov-Bohm磁通的作用。通过调节磁通和偏置电压，作者表明强库仑排斥作用可实现布居数反转和负微分电导，而较弱的排斥作用则导致通过布居数反转实现的微波放大，两者均可通过AB相位和电压进行调控。

ABSTRACT

We examine transport and microwave properties of two coupled quantum dots taken in parallel connection to the common left lead and connected to separate leads at their right side. In addition, the area between the left lead and the double-dot structure is threaded by Aharonov-Bohm magnetic flux. We determine the energies and populations of double-dot levels on the microscopic basis taking into account the interdot Coulomb interaction and show that at large lead-to-lead bias the population inversion can be achieved. For the case of strong Coulomb repulsion, this inversion leads to level crossing accompanied by the region of negative differential conductivity in the current-voltage characteristics, whereas for weaker Coulomb repulsion, the resonant microwave absorption becomes negative at high lead-to-lead voltage.

研究动机与目标

• 分析具有非对称端口连接的双量子点系统中的输运行为与微波响应。
• 研究Aharonov-Bohm磁通如何调制能级布居数与电流-电压特性。
• 确定在双量子点间库仑相互作用存在下，布居数反转与负微分电导出现的条件。
• 探索在非平衡量子点系统中，通过布居数反转实现微波放大的潜力。
• 考察库仑排斥强度在实现或抑制负微分电导与放大中的作用。

提出的方法

• 采用包含双量子点间库仑相互作用、隧穿过程及电极耦合的二次量子化哈密顿量对系统进行建模。
• 通过运动方程推导格林函数，自洽地确定能级布居数与能级能量。
• 通过Peierls规范因子将Aharonov-Bohm相位引入电极与量子点之间隧穿矩阵元中。
• 利用左、右电极的费米-狄拉克分布函数，计算布居数作为电压与AB相位的函数。
• 通过涉及反键态与键合态能量处电极分布函数加权差的公式，计算电流-电压特性。
• 通过能级间能量差乘以布居数差来评估微波吸收，负值表示放大。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有非对称端口耦合与AB磁通的三端口双量子点系统中，能否实现布居数反转？
• RQ2 Aharonov-Bohm相位如何影响双量子点系统中键合态与反键合态的布居数与能级？
• RQ3 在电流-电压特性中，负微分电导在何种条件下出现？
• RQ4 该系统是否表现出微波放大？若存在，其在何种偏置与库仑相互作用条件下发生？
• RQ5 能否通过穿过系统的磁通调控微波放大？

主要发现

• 当左电极与右电极间偏置较高时，通过AB磁通与强库仑排斥作用，反键合态布居数超过键合态，实现布居数反转。
• 对于强库仑排斥作用（U = 8Δ），由于能级交叉与反键合态不导电，在电流-电压曲线中出现负微分电导区域。
• 对于较弱的库仑排斥作用（U = 2Δ），键合态仍为基态，但在高电压下发生布居数反转，导致负微波吸收。
• 在U = 2Δ的高偏置条件下观察到微波放大，且放大阈值与强度可通过Aharonov-Bohm相位调节。
• 当反键合态变为不导电的电压点，电流-电压特性出现急剧下降，证实了负微分电导的起始。
• 系统的输运与微波响应强烈受AB相位调制，从而实现对外部控制布居数反转与放大的调控。