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Dynamics and fluctuations in single-electron tunneling devices : analytical and numerical methods for time-dependent quantum transport in interacting nanosystems
2018 & 2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018. - Dissertation, Chalmers University of Technology, 2018
Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-28
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00005
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/752393/files/752393.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
perturbation theory (frei) ; quantum dot (frei) ; single-electron source (frei) ; time-dependent density-functional theory (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Heutzutage existiert die Technologie elektrische Ströme in Nanoschaltungen zu erzeugen, welche nur eine einzelne Elementarladung durch einen Festkörper transportieren. Typische Realisierungen dieser Einzel-Elektronen Quellen basieren auf zeitabhängig getriebenen Quantenpunkten, Einzel-Elektronen Schleusen bestehend aus supraleitenden und metallischen Hybridstrukturen, Spannungspulsen in Lorentz-Form oder akustischen Oberflächenwellen. Das Thema der vorliegenden Doktorarbeit sind theoretische Studien des Einzel-Elektronen Transportes in Nanostrukturen dieser Art. Darüber hinaus ist ein weiterer Schwerpunkt die Weiterentwicklung und Anwendung komplementärer Methoden der theoretischen Physik. Ich verwende in dieser Arbeit mehrere Methoden, um die Stärken und Schwächen verschiedener theoretischer Ansätze darzulegen und um die Qualität berechneter Ergebnisse und die dafür notwendigen analytischen und numerischen Kosten zu bewerten. Des Weiteren ermöglicht mir diese Herangehensweise neue und ergebnisreiche Methodenkombinationen zu entwickeln. Diese Doktorarbeit besteht aus mehreren eng miteinander verbundenen Teilen, welche ich im Folgenden kurz zusammenfasse. Als erstes diskutiere ich eine neuartige Einzel-Elektronen Schleuse, bestehend aus einem supraleitenden Körnchen im Nanobereich und zwei ebenfalls supraleitenden makroskopischen Kontakten. Zwischen diesen drei Strukturen befinden sich zwei Tunnelbarrieren, gebildet aus einem ferromagnetischen Isolator. Ich zeige, dass diese hier neu vorgeschlagene Nanostruktur als Quelle eines quantisierten Spinstromes eingesetzt werden kann, erkläre das Arbeitsprinzip der Spinstrom-Erzeugung und verdeutliche die experimentelle Machbarkeit. Die zweite von mir studierte Nanostruktur ist eine Einzel-Elektronen Quelle, basierend auf einem Quantenpunkt mit Tunnelkopplung an ein einzelnes Elektronenreservoir. Der hier betrachtete Quantenpunkt emittiert einzelne Elektronen auf Grund einer angelegten elektrischen Steuerspannung mit langsamer Zeitabängigkeit. Eine informative Messgröße für dieses System ist neben dem emittierten Ladungsstrom das Rauschen dieses Stromes, welches ich in dieser Arbeit ausführlich analysiere. Das Rauschen beinhaltet Informationen über Anregungszustände des Systems, über die Dynamik und über die Auswirkungen von Coulomb Wechselwirkung. Um die verschiedenen Frequenzen im Rauschspektrum zu untersuchen, erweitere ich eine zeitaufgelöste diagrammatische Störungstheorie in der Tunnelkopplung zu endlichen Rauschfrequenzen, unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Steuerspannung. Anschließend zerlege ich das Rauschspektrum in seine Harmonische, beschreibe eine Interpretation des Rauschens in Form von individuellen Fluktuationsprozessen und zeige charakteristische Merkmale für das Zusammenspiel zwischen Coulomb Wechselwirkung und Zeitabhängigkeit. Als Drittes wende ich mich der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie zu und transferiere Einsichten aus den vorherigen diagrammatischen Rechnungen zu dieser numerischen Methode. Diese neuartige Methodenkombination erlaubt es mir, eine nichtadiabatische (d.h. zeit-nichtlokale) Näherung des Austausch-Korrelations-Potentials dieser Theorie zu entwickeln. Ich identifiziere physikalische Zeitskalen der Elektronendynamik in dem hergeleiteten Potential und demonstriere die Anwendung des Potentials, um numerische Zeitpropagationen von einzelnen und mehreren Quantenpunkten mit Kopplung an ein gemeinsames Elektronenreservoir zu berechnen. Darüber hinaus erweitere ich die beschriebene Methodenkombination auf ein weiteres Nanosystem, bestehend aus einem Quantenpunkt mit Tunnelkopplungen an zwei benachbarte Kontakte. Hierbei betrachte ich den Quantenpunkt in der Gegenwart von zeitabhängigen Steuer- und Bias-Spannungen. Die Ergebnisse der hier dargelegten Methodenkombination sind ein signifikanter Fortschritt im Hinblick auf zukünftige numerische Dichtefunktional-Simulationen der Ladungsdynamik in komplexen Einzel-Elektron Tunnel-Anordnungen.In recent years, it has been routinely achieved to build nanoscale electronic devices, which generate current pulses carrying only a single elementary charge. Realizations of these single-electron emitters are based on time-dependently driven quantum dots, on single-electron turnstiles built from superconductor/normal-metal hybrid structures, and also on nanosystems employing Lorentzian voltage pulses or surface acoustic waves. In this thesis, we present theoretical studies of single-electron transport in nanoscale devices of this kind. A central focus, besides extending the understanding of the physics in these devices, is the development and application of complementary theoretical methods. This multi-method approach allows us to highlight the assets and limitations of different theories, to compare the accuracy of results and the necessary analytical/computational efforts, and, most importantly, to find novel and fruitful method combinations. In this thesis, we first propose a novel clocked spin-current source, which consists of a superconducting island tunnel coupled to two superconducting contacts via a ferromagnetic insulator layer. We demonstrate that this nanostructure can be operated as an emitter of a precise quantized spin current and we point out its working principle as well as its experimental feasibility. The second device we analyze is a single-electron source, which is built from an interacting quantum dot with tunnel coupling to a single contact. The single-electron emission is triggered by a slow time-dependent gate-voltage driving, and we present a comprehensive study of the noise spectrum of the emitted current signal. The noise contains information on the system's excitation spectrum and its dynamics, and it also reveals signatures of Coulomb interaction. To derive the noise spectra over a large frequency range, we extend a real-time diagrammatic perturbative method in the tunnel coupling to finite noise frequencies in the presence of the slow time-dependent drive. We then perform a harmonic decomposition of the noise spectra, present an interpretation of the noise in terms of individual fluctuation processes, and point out characteristic signatures for the interplay between Coulomb interaction and the time-dependent driving. Third, we turn to time-dependent density-functional theory, which is a numerical method, and we transfer insights from the diagrammatic calculations to this theory. This novel combination of methods allows us to develop a nonadiabatic (i.e. time-nonlocal) approximation of this theory's exchange-correlation potential. We relate properties of the exchange-correlation potential to physical time scales of the electron dynamics and we apply it to obtain numerical time evolutions of single and multiple quantum dots coupled to a shared electron reservoir. In addition, we extend this combination of methods to another nanosystem, namely an interacting quantum dot coupled to two contacts and exposed to time-dependent gate and bias voltages. The results presented in this part of the thesis constitute a significant step towards the application of time-dependent density-functional theory for the description of charge dynamics in complex single-electron tunneling devices.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019972616
Interne Identnummern
RWTH-2019-00005
Datensatz-ID: 752393
Beteiligte Länder
Germany, Sweden
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