Influence of spin excitations on transport through a quantum dot spin value

Duisburg, Essen (2011), VI, 157 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik » Theoretische Physik
König, Jürgen (Doktorvater, Betreuerin)
Maarten Wegewijs (GutachterIn)
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir den spinabhängigen Transport durch Nanostrukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Transport durch Quantenpunkte (QP) die durch Tunnelbarrieren an nicht kollinear magnetisierte Elektroden gekoppelt sind. Durch Anlegen einer Transportspannung an ein solches Quantenpunktspinventil (QPSV) wird eine Spinakkumulation auf dem QP erzeugt, die den Strom durch das System reduziert. Daneben führt eine spinabhängige Renormierung der Dotniveaus zu einem effektiven Austauschfeld auf dem QP, in welchem der akkumulierte Spin präzediert. Das Wechselspiel dieser beiden Effekte führt dann z.B. zu einer nichtharmonischen Abhängigkeit des Leitwerts vom Winkel zwischen den Magnetisierungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluß von Spinanregungen auf den Transport durch ein QPSV zu untersuchen. Diese können entweder in den Elektroden, in den Tunnelbarrieren oder auf dem QP auftreten. Wir betrachten hier den Einfluß von Spinwellen in den Elektroden, magnetischen Verunreinigungen in den Tunnelbarrieren und auf dem QP sowie Spinanregungen aufgrund einer komplexen internen Struktur des QPs im Falle des Transports durch einzelne magnetischer Atome. Wir untersuchen zunächst den Einfluß von Spinwellen auf den Transport durch ein QPSV. Die Emission und Absorption von Magnonen führt zu Seitenbändern im differentiellen Leitwert, deren Stärke von der magnetischen Orientierung und Polarisation der Elektroden abhängt. Weiterhin können die Spinwellen den Fanofaktor je nach angelegter Gatespannung erhöhen bzw. erniedrigen. Wir diskutieren ferner die Nichtgleichgewichtsbesetzungen der Magnonen in den Elektroden und zeigen, wie die Magnonen einen komplett spinpolarisierten Strom ohne äußere Spannung treiben können. Anschließend diskutieren wir den Einfluß magnetischer Verunreinigungen auf den Transport durch ein QPSV. Im Falle eines Spins in der Tunnelbarriere finden wir ein kompliziertes Wechselspiel zwischen dem strominduzierten Schalten des Spin in der Barriere, der Spinakkumulation auf dem QP und des Stroms durch den QP. Im Falle eines Spins auf dem QP (z.B. realisiert durch einen Kernspin) zeigen wir, wie der frequenzabhängige Fanofaktor Aufschluß über die nichttriviale Spindynamik gibt und eine experimentelle Bestimmung der Spin-Austausch-Kopplung ermöglicht. Wir wenden uns dann der inelastischen Spektroskopie einzelner magnetischer Atome zu. Wir zeigen, daß ein vollständiges Verständnis des beobachteten differentiellen Leitwerts nur möglich ist, wenn man eine Nichtgleichgewichtsbesetzung der atomaren Spinzustände berücksichtigt. Ferner schlagen wir vor mit Hilfe des Stromrauschens weitere Informationen über die Nichtgleichgewichtsbesetzungen zu erhalten. Darüber hinaus zeigen wir, daß die Abwesenheit gewisser Nichtgleichgewichtseffekte im Experiment durch eine anisotrope Spinrelaxation erklärt werden kann. Obwohl das Austauschfeld wichtig ist, um den Transport durch ein QPSV zu verstehen, hat sich sein experimenteller Nachweis bis jetzt als schwierig erwiesen, da die meisten Austauschfeldeffekte nur bei großen Polarisationen der Elektroden auftreten. Wir schlagen hier eine neue Möglichkeit vor, das Austauschfeld experimentell zu detektieren. Koppelt man zusätzlich einen Supraleiter an den QP, so zeigt der Anteil des Stroms in den Supraleiter, der symmetrisch in der an die Ferromagneten angelegten Spannung ist, charakteristische Signaturen des Austauschfeldes auch bei kleinen Polarisationen der Ferromagneten.