[论文解读] Zero-field splitting of Kondo resonances in a carbon nanotube quantum dot

Jesper Nygård, William F. Koehl+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究报告了由于与铁磁性催化剂纳米颗粒耦合，在单壁碳纳米管量子点中观测到的Kondo共振在零磁场下的劈裂，其特征为温度依赖性非单调的电导率和零磁场下微分电导的精细劈裂。劈裂能级约为0.12 mV，表明其源于与磁性杂质的相互作用而非外加磁场，提示该器件表现为铁磁接触的Kondo量子点。

ABSTRACT

We present low-temperature electron transport measurements on a single-wall carbon nanotube quantum dot exhibiting Kondo resonances at low temperature. Contrary to the usual behavior for the spin-1/2 Kondo effect we find that the temperature dependence of the zero bias conductance is nonmonotonic. In nonlinear transport measurements low-energy splittings of the Kondo resonances are observed at zero magnetic field. We suggest that these anomalies reflect interactions between the nanotube and a magnetic (catalyst) particle. The nanotube device may effectively act as a ferromagnetically contacted Kondo dot.

研究动机与目标

• 研究在低温下单壁碳纳米管量子点中异常Kondo共振行为的起源。
• 确定观测到的Kondo共振零场劈裂是否源于外部磁场或内部磁性杂质。
• 探讨残留催化剂纳米颗粒在调控基于碳纳米管的量子点中Kondo物理行为中的作用。
• 评估磁性杂质耦合对碳纳米管中未来自旋电子学与量子计算应用的影响。

提出的方法

• 在约80 mK电子温度的稀释制冷机中进行低温电子输运测量。
• 采用锁相技术测量两终端电导，交流激励电压约为5 mV，源漏电压偏置。
• 绘制微分电导（dI/dV）随栅压（Vg）和源漏电压（V）的变化关系，以识别Kondo共振和库仑阻塞菱形区域。
• 通过零偏置电导的温度依赖性测量分析Kondo峰的非单调行为。
• 施加从-0.5 T到+0.5 T的磁场扫描以探测劈裂的磁场依赖性，数据已做偏移以便清晰显示。
• 利用量子点与单个铁磁电极耦合的Kondo效应理论模型，解释观测到的劈裂和非单调温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 本碳纳米管量子点中零偏置电导的非单调温度依赖性由何引起？
• RQ2 为何Kondo共振在零磁场下发生劈裂，与标准自旋1/2 Kondo行为相反？
• RQ3 观测到的劈裂是否可能源于磁性杂质而非外部磁场？
• RQ4 与铁磁性催化剂纳米颗粒的耦合如何影响碳纳米管中Kondo共振的形成？
• RQ5 在纳米管制造过程中，磁性杂质在多大程度上改变了纳米尺度器件中的Kondo物理行为？

主要发现

• 零偏置电导表现出非单调温度依赖性，在约200 mK前上升，之后下降，与标准Kondo系统中预期的单调下降行为相反。
• 在零磁场下观测到约0.12 mV的Kondo共振精细劈裂，表明存在与磁场无关的能量劈裂。
• 在小的有限磁场（约0.15 mT）处劈裂达到最小值，与外部磁场引起的Zeeman劈裂不一致。
• 磁场依赖性表现出不对称劈裂，无法用非磁性杂质或弱外部磁场解释。
• 数据强烈支持存在一个铁磁性杂质（很可能是含铁催化剂纳米颗粒）与量子点耦合。
• 铁磁单电极耦合Kondo量子点的理论模型可重现观测到的非单调温度依赖性和劈裂行为，支持该解释。