A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

102

description

The Kondo effect in multiple quantum dot systems and deformable molecules. http://gawain.elte.hu/mcrtn/. A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *. *. Department of Physics Faculty of Mathematics and Physics University of Ljubljana. Outline. Conductance - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Page 1: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *
Page 2: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

A. Ramšak*J. MravljeT. Rejec*R. ŽitkoJ. Bonča*

The Kondo effect in multiple quantum dot

systems and deformable molecules

Department of PhysicsFaculty of Mathematics and Physics

University of Ljubljana

*

Page 3: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

OutlineOutline

(1) Conductance (2) Kondo in a single quantum dot(3) Methods(4) Double quantum dots(5) Triple quantum dots(6) Deformable molecules(7) Center-of-mass motion(8) Summary

Page 4: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

gV

12

n

~gateV

~sdV IA

( )gatesd

IG G VV

ConductanceConductance

Page 5: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

gV

12

n

~gateV

~sdV IA

( )gatesd

IG G VV

ConductanceConductance

Page 6: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Non-interacting systems: U=0

12

n

0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1( )dot

Page 7: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

12

n

0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

122( ) [ ]eGh

dot( ) ( )G

Non-interacting systems: U=0

Page 8: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Anderson model: U > 0

d U

d

Page 9: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

122( ) [ ]eGh

0U

Page 10: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

( )

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0U

U

or

Page 11: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

122( ) [ ]eGh

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0U

U

or

KT T

T

Page 12: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

0

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 13: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 14: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 15: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 16: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 17: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 18: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 19: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 20: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 21: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 22: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 23: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 24: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( )

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 25: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d U d

d

d U

( ) ( )1

2

d d UU

KT U e

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 26: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 27: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 28: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

Page 29: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

/ 2d U

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

( / 2, )dA U

Page 30: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

1

““Ring system” Ring system”

Page 31: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

““OpenOpen system” system”

Page 32: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

““OpenOpen system” system”

Page 33: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

the GS energy of a the GS energy of a largelarge ring ring system is an universal function system is an universal function of fluxof flux

T. Rejec and A. Ramšak, PRB 68, 033306 (2003); 68 035342 (2003)

IF IF openopen system is Fermi liquid system is Fermi liquid

Page 34: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

4 1( 3); elN n N even

1N

Page 35: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

4 1( 3); elN n N odd

1N

Page 36: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

0/g G G

Page 37: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Linear conductance from Linear conductance from the the ground-state energyground-state energy

0T

See also: J. Favand and F. Mila (Phys. J. 1998); O. Sushkov (PRB 2001); R. Molina et al. (PRB 2003)

Page 38: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Linear conductance from Linear conductance from the the ground-state energyground-state energy

0T

Page 39: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Linear conductance from Linear conductance from the the ground-state energyground-state energy

0T

Page 40: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Aharonov – Bohm ringsAharonov – Bohm rings

Broken time-reversal symmetry

T. Rejec and A. Ramšak, PRB 68, 033306 (2003)

Page 41: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dotThe Kondo effect in a quantum dot

U=0

numerical tests…numerical tests…

Page 42: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dot: finite temperatureThe Kondo effect in a quantum dot: finite temperature

T

U=0 high T

low T

Page 43: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dot: finite temperatureThe Kondo effect in a quantum dot: finite temperature

T

high T

low T

Page 44: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

The Kondo effect in a quantum dot: finite temperatureThe Kondo effect in a quantum dot: finite temperature

T

high T

low T

Page 45: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

loc max/M S S

21 /t t

( / 2, )dA U Fingerprints of Kondo…Fingerprints of Kondo…

/ 2d U

Page 46: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

loc max/M S S

21 /t t

( / 2, )dA U Fingerprints of Kondo…Fingerprints of Kondo…

/ 2d U

Page 47: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

21 /t t

( / 2, )dA U Fingerprints of Kondo…Fingerprints of Kondo…

/ 2d U

Page 48: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

loc max/M S S

21 /t t

( / 2, )dA U Fingerprints of Kondo…Fingerprints of Kondo…

/ 2d U

Page 49: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Chan et al, Nanotechnology 15, 609 (2004)

Vidan et al, Applied Phys. Lett. 85, 3602 (2004)

Electrostatic gates

QD

Elzerman et al, PRB 67, 16308 (2003)

QD

MultipleMultiple quantum dot systems quantum dot systems

Page 50: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

Page 51: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

2d t

2(b)

0t UV

2(a) t U

212

K(c) 4 2tJ TU

2 12t t t''

2RKKY KJ T

Page 52: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

2d t

2(b)

0t UV

2(a) t U

212

K(c) 4 tJ TU

2 12t t t''

2(d) 0 & ~ : (4) Kondot V U SU

Page 53: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

2d t

2(b)

0t UV

2(a) t U

212

K(c) 4 tJ TU

2(d) 0 & ~ : (4) Kondot V U SU

Page 54: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

J. Mravlje, A. Ramšak, and T. Rejec, Phys. Rev. B 73, 241305(R) (2006)

Also for finite hibridization: [ (4)] ~ [ (2)]K KT SU U T SU

half filling: 2n

Page 55: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

hibridization

Page 56: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

2 Kondo2 Kondo

AFMAFM

1 Kondo1 Kondo

t t

12/ 3U t

12/ 50U t

12/ 60U t

1 2S S

Page 57: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

2 Kondo2 Kondo

AFMAFM

1 Kondo1 Kondo

t t

12/ 3U t

12/ 50U t

12/ 60U t

1 2S S

Page 58: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Double quantum dotDouble quantum dot

2 Kondo2 Kondo

AFMAFM

1 Kondo1 Kondo

t t

12/ 3U t

12/ 50U t

12/ 60U t

1 2S S

Page 59: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Other topologies: local singlet vs the Kondo effect

A. Ramšak, J. Mravlje, R. Žitko, and J. Bonča, quant-ph/0608065.

Page 60: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Thermal equilibrium: A-B spin corelations

/B J/T J

2

4tJU

A BS S

Page 61: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

2

4tJU

Zero magnetic field, thermal equilibrium

A

B

0, .B T const

Page 62: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

2

4tJU

/J U

Zero magnetic field, temperature

A

B

Page 63: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

2

4tJU

/J U

A

B

Zero magnetic field, temperature

Page 64: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

/J U2 cJ

A

B

Zero magnetic field, temperature

Page 65: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

/J U

3 ~cJ

A

B

Zero magnetic field, temperature

Page 66: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

d

22d t

22d t

Page 67: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d

22d t

22d t

d U

Triple quantum dotTriple quantum dot

Page 68: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d

Triple quantum dotTriple quantum dot

Page 69: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

d

Triple quantum dotTriple quantum dot

Page 70: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

d

Page 71: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

2/ 1U t

10

20

Triple quantum dotTriple quantum dot

2

5

Page 72: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

1~ Kt T

Page 73: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

1~ Kt T

Page 74: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

1~ Kt T

~t J

Page 75: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

1~ Kt T

~t J

1~ 2 KJ T

Page 76: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Triple quantum dotTriple quantum dot

Page 77: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Deformable molecules Deformable molecules

e

Page 78: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Deformable molecules Deformable molecules

e

Page 79: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Deformable molecules Deformable molecules

H. Park et al. Nature 407 (2000)

e

Change in:• local energy• hopping matrix elements

Page 80: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Page 81: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Modeling Modeling

Page 82: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

))(1( aanMaanUnnH d

2eff (2) 2 (1) 2U E E U M

Isolated molecule:

d

d

molecule attached to the leads: Lang & Firsov transformation:

)1)((1 ,~

naaMeUHUUH

the result:

,M

,M

Reduction of U and narrowing of the level-widthA.C. Hewson and D.M. News J.Phys C 13 (1980)K. Schönhammer and O. Gunnarsson PRB 30 (1984)

Old knowledge …Old knowledge …

Page 83: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Udecrease

negative U:A. Taraphder and P. Coleman,PRL 66, 2814 (1991).

Page 84: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

M

J. Mravlje, A. Ramšak, and T. Rejec, PRB 72, 121403(R) (2005);See also: P.S. Cornaglia, D.R. Grempel, and H. Ness, Phys. Rev. B 71, 075320 (2005), A. Mitra, I. Aleiner, and A.J. Millis, Phys. Rev. B 79, 245302 (2004).

Page 85: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

J. Mravlje, A. Ramšak, and T. Rejec, submitted to PRB

Page 86: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Page 87: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Page 88: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Page 89: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Friedel sum rule:

Page 90: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Friedel sum rule:

Page 91: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

A

B

Page 92: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Page 93: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Molecules with a center of mass motionMolecules with a center of mass motion

Page 94: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Summary Summary

• Linear conductance at T=0 can then be extracted from the GS energy:

• The Kondo effect: Low temperature destiny of quantum dots

Page 95: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

U t

d

U

d

t0/g G G

ad summary…

Page 96: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Formulae are exact IF the system is Fermi liquid

note:

• linear conductance• zero temperature• non-interacting single-channel leads

Page 97: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Fisher – Lee relation …

Conductance formalismsConductance formalisms

non-equilibrium transport: T ≠ 0, V ≠ 0

U = 0

Landauer – Büttiker formula

linear response regime: T ≠ 0, V ~ 0

zero-temperature linear response: T = 0, V ~ 0

U ≠ 0

Meir – Wingreen formula

In Fermi liquid systems

Kubo formula

Page 98: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Proof of the method

Step 1. Conductance of a Fermi liquid system at T=0

Kubo

T=0

define (n.i.: Fisher-Lee)

‘Landauer’

Page 99: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Step 2. Quasiparticle hamiltonian (Landau Fermi liquid)

Page 100: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Step 3. Quasiparticles in a finite system

N

Page 101: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *

Step 4. Validity of the conductance formulas

Page 102: A. Ramšak* J. Mravlje T. Rejec* R. Žitko J. Bonča *