DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Influence of spin excitations on transport through a quantum-dot spin valve

Sothmann, Björn LSF

In this thesis, we discuss spin-dependent transport through nanostructures. The main emphasis is put on transport through quantum-dot spin valves (QDSV), i.e., quantum dots coupled via tunneling barriers to noncollinearly magnetized ferromagnets. Applying a bias voltage across the system leads to a nonequilibrium spin accumulation on the quantum dot that has the tendency to block further transport. In addition, a spin-dependent level renormalization yields an effective exchange field that gives rise to a precession of the accumulated spin. The interplay between these to effects leads to interesting transport properties as, e.g., a nonharmonic dependence of the differential conductance on the angle between the magnetizations. The main goal of this thesis is to study the influence of spin excitations on transport through a QDSV. These can be located either in the electrodes, in the tunnel barrriers or on the quantum dot. We investigate the influence of spin waves in the electrodes, magnetic impurities in the tunnel barriers or on the dot as well as spin excitations due to a complex internal structure of the quantum dot that play a role for transport through single magnetic atoms. First, we study the influence of spin waves in the electrodes on transport through the QDSV. We find that the emission and absorption of magnons gives rise to side bands in the differential conductance whose strength depends on the magnetic orientation and the polarization of the electrodes. Additionally, the spin waves can increase or decrease the Fano factor depending on the applied gate voltage. We furthermore discuss the nonequilibrium occupations of the magnons in the electrodes and show that the magnons can drive a fully spin-polarized current without a bias voltage. Next, we discuss the influence of magnetic impurities on transport through a QDSV. If the impurity spin is localized in the tunnel barrier, we find a complicated interplay between current-induced switching of the barrier spin, the spin accumulation on the dot and the current through the system. In the case of a spin on the quantum dot, as, e.g., realized by a nuclear spin, we show how the frequency-dependent Fano factor provides information about the nontrivial spin dynamics and allows an experimental determination of the spin-spin exchange coupling. We then turn to the discussion of spin inelastic tunneling spectroscopy of single magnetic atoms. We show that a full understanding of the experimentally observed differential conductance is only possible if one takes into account nonequilibrium occupation of the atom spin states. We furthermore demonstrate that the Fano factor can provide additional information about the nonequilibrium occupations. Finally, we discuss that the remarkable absence of certain nonequilibrium effects in experiment can be explained by an anisotropic spin relaxation channel. Though the exchange field is found to be important for understanding transport through a QDSV, experimentally, it has so far been detected only through its splitting of the Kondo resonance as all other exchange field effects rely on large polarizations of the electrodes. Here, we propose a new way to detect the exchange field experimentally. To this end, we consider a QDSV with an additional superconductor coupled to the quantum dot. The part of the current into the superconductor that is symmetric with respect to the bias applied between the ferromagnets then shows characteristic signatures of the exchange field even for small polarizations.

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.

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Sothmann, Björn: Influence of spin excitations on transport through a quantum-dot spin valve. 2011.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export