From 2d-van der Waals magnets to superconductor hybrid devices

Ortmanns, Lara Celine; Wegewijs, Maarten Rolf; Meden, Volker; Splettstößer, Janine

doi:HT030065154

From 2d-van der Waals magnets to superconductor hybrid devices

Ortmanns, Lara Celine^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lara Celine Ortmanns, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-91-7905-882-1

ReiheDoktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola ; 5348

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023. - Dissertation, Chalmers University of Technology Göteburg, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Cotutelle-Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wegewijs, Maarten Rolf (Thesis advisor)^RWTH* ; Splettstößer, Janine (Thesis advisor) ; Meden, Volker (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06360
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/960727/files/960727.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 1995 - GRK 1995: Quantenmechanische Vielteilchenmethoden in der kondensierten Materie (240766775) (240766775)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
2d-van der Waals magnets (frei) ; magnons (frei) ; quantum dots (frei) ; superconductor hybrid devices (frei) ; transient transport spectroscopy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit betrachten wir zwei Themen aus verschiedenen Forschungsrichtungen innerhalb der mesoskopischen Physik. Das erste betrifft Spinwellen in zwei-dimensionalen van der Waals Materialien, das zweite die transiente Dynamik eines Quantenpunkts verbunden mit einem normalleitenden Metall und einem Supraleiter. Basierend auf unserer früheren Arbeit über Magnon-Dispersionsrelationen in Zweischichten-2d Ferromagneten, ergänzen wir die frühere Arbeit durch Analysen der konkurrierenden Wechselwirkungen. Ferner erklären wir die Magnon-Dispersionsentartung und die Topologie des Magnonspektrums in Termen einer zu Grunde liegenden PT-Symmetrie. Als Ergebnis können wir einen Magnon-(thermischen) Hall Effekt für unser Austausch-Anisotropie Spin Modell ausschließen, deuten aber Erweiterungen unseres Modells an, die auf nicht triviale topologische Effekte führen könnten. Die Analyse des ersten Themas beläuft sich auf Gleichgewichtseigenschaften eines zwei-dimensionalen Materials, das magnetische Ordnung zeigt, die relevanten Anregungen sind Magnonen, das sind Bosonen. Beim zweiten Thema haben wir es dagegen mit der transienten Dynamik eines Quantenpunkts nach einem Switch in der Gate-Spannung zu tun, dessen angrenzendes Material, anders als das im ersten Teil der Arbeit betrachtete, keine magnetische, sondern supraleitende Ordnung aufweist, und einen ausgeprägten Proximity-Effekt auf dem sensiblen Quantenpunkt verursacht. Die wesentlichen Freiheitsgrade hier sind Fermionen. In unserem betrachteten Limes lösen wir keine Kohärenzen in der Beschreibung der Dynamik auf und bestimmen den Kern des Zeit-Evolutionsoperators basierend auf Fermis Goldener Regel und der Elektrostatik der Anordnung. Trotz dieser Vereinfachung zeigen wir, dass es im betrachteten Grenzfall von Vorteil ist, den traditionellen Zugang im Liouville-Raum zu formulieren, um die transiente Dynamik nach einem Switch anstelle des stationären Zustands zu betrachten. Im Grenzfall großen supraleitenden Ordnungsparameters machen wir Gebrauch von einer dissipativen Symmetrie, genannt fermionische Dualität, die eine verallgemeinerte Hermitizitätsrelation des Zeitentwicklungskerns betrifft und auf nicht-triviale Relationen zwischen Größen führt, die Zustand und Transportentwicklung beschreiben. Es ist dann die Dualität, die die Analyse weiter vereinfacht, weil das transiente Verhalten des Quantenpunktes in vollem Detail in Termen von stationären Größen des realen und dualen Systems verstanden werden kann. Insbesondere ist der Wärmestrom eine interessante Transport-Observable, als er das Wechselspiel von Coulomb-Wechselwirkung und supraleitender Paarung testet. Basierend auf einem mikroskopischen Verständnis der zu Grunde liegenden Prozesse beschreiben wir, wie man Wärme- und Ladungsstrom in diesen NDS-Bauelementen durch geeignete Wahl der Parameter kontrollieren kann. Wir geben Ausblicke auf Erweiterungen unseres Zugangs zu Quantenpunkten, verbunden mit zwei Supraleitern, die sowohl vom theoretischen als auch vom experimentellen Standpunkt interessante Physik versprechen.

In this thesis, we focus on two distinct topics in different lines of research within mesoscopic physics, the first is related to spin-waves in 2d-van der Waals magnets, the second to the transient dynamics of a quantum dot device attached to a normal metal and proximized with a superconducting material. Based on our earlier work on the magnon dispersion in bilayers of 2d-ferromagnets, in this thesis we complement the earlier work by further analyzing the competing interactions in the Hamiltonian. Moreover, we explain the magnon dispersion degeneracy and the topology of the magnon spectrum in terms of an underlying PT-symmetry. As a result, we can exclude a magnon (thermal) Hall effect for our type of exchange anisotropy spin model, but indicate extensions of our model that would allow for non-trivial topological effects. The analysis of this first topic amounts to a study of equilibrium properties of 2d bulk materials, which exhibit magnetic order. The relevant excitations of interest are magnons, which are bosons. Differently, for the second topic we deal with the transient dynamics of a quantum dot device after a switch in gate voltage, where instead of magnetic order we have superconducting order in the lead attached, which induces a pronounced proximity effect on the sensitive quantum dot. The main degrees of freedom here are fermions. In our limit of interest, we do not resolve coherences in the description of the dynamics and determine the kernel of the time-evolution operator based on Fermi’s Golden rule and the electrostatics of the device. In spite of this simplification, we show that it is still advantageous to formulate the traditional approach in Liouville space to study the transient dynamics instead of the stationary state. In the large gap limit, we make use of a dissipative symmetry, termed fermionic duality, that refers to a generalized hermiticity relation of the time-evolution kernel. The duality leads to non-trivial relations between the quantities that determine the state and transport evolution. It is then the duality that further facilitates the analysis, as the transient behavior of the quantum dot can be understood in great detail in terms of stationary quantities of the real and dual system. In particular the heat current is an interesting transport observable, as it probes the interplay of Coulomb interaction and superconducting pairing. Based on a microscopic understanding of the underlying processes, we describe how to control the charge and heat currents in these NDS-devices by a suitable choice of the parameters. We give outlooks to further extensions of our approach to quantum dots attached to two superconductors, which promise interesting physics both from a theoretical and experimental perspective.

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