53
КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ 1.ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ. Home made quantum mechanics 2.ОТКУДА БЕРЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ Т=0. Формула Ландауэра-Буттикера 3. Как считать. ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ АТОВЫЕ ДОТЫ

КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

  • Upload
    danton

  • View
    51

  • Download
    6

Embed Size (px)

DESCRIPTION

КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ. 1. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ. Home made quantum mechanics 2. ОТКУДА БЕРЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ Т=0. Формула Ландауэра-Буттикера 3. Как считать. ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ КВАТОВЫЕ ДОТЫ. Полупроводниковые гетероструктуры. gates. U. 2DEG. z. 2 D E G. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

1.ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ. Home made quantum mechanics2.ОТКУДА БЕРЕТСЯ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ Т=0. Формула

Ландауэра-Буттикера 3. Как считать. ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ КВАТОВЫЕ ДОТЫ

Page 2: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Полупроводниковые гетероструктуры

Page 3: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

U

z

gates

2DEG

Полупроводниковые гетероструктуры

Page 4: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 5: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 6: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

SupriyoDatta Special Issue: Physics of electronic transport in

single atoms, molecules,and related nanostructures, Nanotechnology 15 (2004) S433

Page 7: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Проводимость Ландауэра

Rolf Landauer (1957)

Page 8: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Проводимость Ландауэра T=0

Page 9: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

S и T матрицы

* 2 2 2 2

2 2 2 2

* * * *

( ) [| | | | ] [| | | | ].

| | | | | | | | .

D . 1

j imag k A B k C D

A D B C

C AC B A S S S S

B D

Ток сохраняется

S-mattix

Унитарность S-матрицы1S S

Page 10: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Т-матрица

Page 11: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 12: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Амплитуда трансмиссии

Page 13: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

T-matrix

Page 14: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

T-matrix

Page 15: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Resonant tunneling, LED

Page 16: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

LED

Page 17: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

LED

Page 18: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

LED

Page 19: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Multichannel conductance

( )2

nik x

n

n

ey

k

( )2

mik x

nm mm m

et y

k

( )

2

mik x

nm mm m

er y

k

отражается

/ , ( , ), ( , ), inc out inc x L out x RT I I I dyj x x y I dyj x x y 2

2 2 +

,

2e| | . | | ( ). G= Sp(TT )

hn nm nmm n m

T t T t Sp TT

Page 20: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Quantum point contacts (QPC)

Page 21: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

QPCFrom A. Cserti, J. Appl. Phys. (2006)

Page 22: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

QPC

Page 23: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 24: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Подход эффективного гамильтониана

Coupled mode theory (оптика)

1. М. С. Лифшиц, ЖЭТФ (1957). 2. U.Fano, Phys. Rev. 124, 1866 (1961). 3. H. Feshbach,, Ann. Phys. (New York) 5 (1958) 357; 19 (1962) 287. 4. C. Mahaux, H.A. Weidenmuller, (Shell-Model Approach to Nuclear Reactions), (1969). 5. I.Rotter, Rep. Prog. Phys., 54, 635 (1991). 6. S.Datta, (Electronic transport in mesoscopic systems) (1995). 7. Sadreev and I. Rotter, JPA (2003). 8. Sadreev, JPA (2012).

H.A.Haus, (Waves and Fields in Optoelectronics) (1984).C. Manolatou, et al, IEEE J. Quantum Electron. (1999).S. Fan, et al, J. Opt. Soc. Am. A20, 569 (2003).S. Fan, et al, Phys. Rev. B59, 15882 (1999).W. Suh, et al, IEEE J. of Quantum Electronics, 40, 1511 (2004).

Bulgakov and Sadreev, Phys. Rev. B78, 075105 (2008).

Page 25: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Coupled mode theory

Одно модовый резонатор

Page 26: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

CMT Х. Хаус, Волны и поля в оптоэлектронике

0

2

( )

, W=|a| .

in

out in

dai a kS

dt

S CS a

Одно-модовый резонатор

22 2 2 2| |

2 | | | | | |out

dW d aa S a

dt dt

= 2 0

0

( ) exp( ), ( ) ,

, 2in

in

a t a i t i i a kS

i a kS

Инверсия по времени2 2

2 2| |2 | | | |

2 in

d a ka S

dt

k

22 2 2 * *

2 2 2 2 * *

* * * * 2

2 2 2 * *

| || | | | 2 | | 2 ( ).

2 ,

2 | | | | | | ( ),

2 ( ) 2 | | ,

| | | | ( 1)( ) 2 |

in out in in

out in

out in in out in out

in in in out in out in

out in in out in out in

d aS S a a S aS

dt

a S CS

a S C S C S S S S

a S aS S S S S C S

S C S C S S S S C S

2 2 2| | | | |in outS S

1C

0( ) 2

2

in

out in

dai a S

dt

S S a

Page 27: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

CMT Много-модовый резонатор

IEEE J. Quantum Electronics, 40, 1511 (2004)40, 1511 (2004)

Page 28: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Зарядовые эффекты

1. Кулоновские взаимодействия в 1d проволоке.

2. Кулоновская блокада в квантовых дотах

Page 29: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

The reason for the spin precession is that the spin operators do not commutate with the SOI operator, which leads to spin evolution for the electron transport. In particular the SOI has a polarization effect on particle scattering processes, and this effect was considered for different geometries of confinement of the 2DEG:

S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990).E.N.Bulgakov, K.N.Pichugin, A.F.Sadreev, P.Streda, and P.Seba,Phys. Rev. Lett. 83, 376 (1999).A.Voskoboynikov, S.S.Liu, and C.P.Lee, Phys. Rev. B 58, 15397 (1998), Phys. Rev. B 59, 12514 (1999).A.V.Moroz and C.H.W.Barnes, Phys. Rev. B 60, 14272 (1999).F.Mireles and G. Kirczenow, Phys. Rev. B 64, 024426 (2001).L.W.Molenkamp and G.Schmidt, cond-mat/0104109.

22

2n y yE E k km

Let it be 1d or quasi one-dimensional wire. 0xk

Page 30: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

1 2

1 11 1,|1 ; ,| 2 ;

1 12 2y y y yk k k k

1 21 11 1

( , ) ( ) ( )1 12 2

y yik y ik y

n nx y x e x e

Particular solutions of the Shrödinger equation are

The total solution

2m L

The angle of spin presession

E

ky1 ky2

Page 31: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Spin evolution for movement along curvilinear wire

2

2

2

2

2

cos(2 1) cos(2 1)

1

sin(2 1) cos(2 1)

1

2 sin 2

1

x

y

z

2

22 1 , , 2

1 1m R

Page 32: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

For the straight wire R L (β→∞) we again obtain a simple spin precession

cos 2 , 0, sin 2x y z

Page 33: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Two-dimensional curved waveguide

Page 34: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 35: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Spin evolution in the 2d curved waveguide R=d, β = 1

ε=25, the first-channel transmission

ε=39.25, near an edge of the second-channel transmission

Page 36: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

We prove that for atransmission through arbitrary billiard with two attached leads there is no spin polarization, if electrons incident in the single energy subband and were spin unpolarized

The same result was obtained in moreelegant way by use of spin dependentS-matrix theory by Kisilev and Kim (cond-mat/411070) and Zhai and Hu (to be published)

Page 37: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Numerical results, ,

[ ]x y z

P

Different way to definespin polarization via Transmission probabilities

'T

''

( )T TP

T

Bulgakov et al, PRL, 83, 376 (1999)Mireles and Kirczenow, PRB66, 214415 (2002)Hu and Zhai (to be published)

Page 38: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Spin transistorE.N.Bulgakov and A.F.Sadreev, Phys. Rev. B 66, 075331 (2002)

T-shaped ballistic spin filterKiselev and Kim, Appl. Phys. Lett. (2001)

Page 39: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

QD with Rashba SOI - exact solution Bulgakov and Sadreev, JETP Lett. 73, 505 (2001)Tsitsishvili, Lozano, and Gogolin, PRB, 70, 115316 (2004) + mag. field

*

0

0 *

* 2 * 20

( 1)

; ;

0 /( ); 2 ;

/ 0

2 , / 2 ;

[ , ] 0; [ , ] 0,

/ 2; ;

( )( 1/ 2) ;

( )

SL

SLz z

z

z z z y

im

z m m m i m

z x iy H H V

zH V r V

z

m R E m R

J H K H

J L K i C

u r eJ m

v r e

Page 40: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ
Page 41: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Resonant transmission through the QD,weak coupling

Page 42: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Radiation field with circular polarization

It is well known in atomic spectroscopy that atomic spectroscopy that circularly polarized radiation field can transmit an electron from a multiplet state with a half-integer total angular momentum to a continuum with a definite spin polarization (Delone and Krainov, Sov. Phys. Usp. 127, 651 (1979).

We consider similar phenomenon for the electron ballistic transport in quantum dots and in microelectronic devices with bound states.

Page 43: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

( ) (sin ,cos ,0)A t A t t ��������������

Similar to the two-level system, an effect of this radiation field can be considered exactly by transformation to the rotating coordinate system by the unitary operator exp(itJz) to give rise to the following effective Hamiltonian:

*

2;z

iedAH H J

c z z

Therefore the radiation field with circular polarization effects the QD like an external magnetic field, i.e., lifts the Kramers degeneracy. This phenomenon firstly was considered by Ritus for an atom (Sov. Phys. JETP 24, 1041 (1967)).Second, it obviously follows that the radiation field mixes only states M and M‘ differing by M = ±1.

Page 44: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Effect of radiation field with circular polarization

Page 45: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

The transmission probability through QD

3/ 2 1/ 2 47.12 29.33

for 0.75

E E

Page 46: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Chaotic billiards with account of spin-orbit interaction (SOI)

Bulgakov and Sadreev, JETPLett.78, 911 (2003); PRE 70, 56211 (2004)

Page 47: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

For E ; imag( );

( )2

b

b b

b

jx iy

Page 48: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Distributions of u iv

t iw

Page 49: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

0.25

| |( ) exp

4 2

jP j

j j

02

( ) ( / ).j

P j K j

Saichev et al, J. Phys. A35, L87 (2002); Barth and Stockmann, Phys. Rev. E 65, 066208 (2002).Kim et al, Progr. Theort. Phys. Suppl. 150, 105 (2003).Sadreev and Berggren, Phys. Rev. E70, 26201 (2004).

Page 50: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

2

2

- ,

- ,

L

L

2; ;L i L Lx y

4 2 2 2

1 2

2 2 2 21 1

2 2 2 22 2

1. = , =

[ ( 2 ) ] 0;

;

( / 2 / 2 1 4 / ) ;

( / 2 / 2 1 4 / )

L L

L L L L

a b

Exact relations for arbitrary QD with SOI

Page 51: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Strong SOI 2

There are two characteristic scales in solution :

1

and21/ + 1/ 1

Page 52: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Statistics of the eigenfunctions( , ) ( , ) ( , )

.( , ) ( , ) ( , )

x y u x y iv x y

x y t x y iw x y

Page 53: КВАНТОВЫЙ ТРАНСПОРТ В  ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСТРУКТУРАХ

Comparison of numerical statistics with analytical distributions for strong