FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-66739
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6673/


Dynamics in Nanosystems

Dynamik in Nanosystemen

Baxevanis, Benjamin

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (3.763 KB) 


SWD-Schlagwörter: Halbleiter , Quantenpunkt , Magnetismus , Spindynamik , Spinrelaxation , Ladungstransport
Freie Schlagwörter (Deutsch): Nichtgleichgewicht, Quanten-Monte-Carlo-Methode
Freie Schlagwörter (Englisch): Quantum Dot , Magnetism , Spin Dynamics , Nonequilibrium Transport , Quantum Monte Carlo
Basisklassifikation: 33.23 , 33.28 , 33.75 , 33.72 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfannkuche, Daniela (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.11.2013
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 10.04.2014
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis, we study charge and spin dynamics in nanostructures such as quantum dots and small ferromagnetic clusters. These systems are brought out of equilibrium by an external perturbation like the coupling to electron baths or an abrupt change of electric fields.

To investigate the interactions and mechanisms defining the time scales of the dynamics in quantum dots and small magnetic clusters, we use model systems and the master equation approach. As a further method of choice, we implement the quantum Monte Carlo method for non-equilibrium systems.

First, the charging dynamics of quantum dots that are tunnel coupled to a two-dimensional electron gas are investigated after abruptly changing the gate potential. We show that the charging dynamics of the quantum dots are defined by the degeneracy of states and by the interplay between Coulomb correlations and relaxation processes. We discuss how to disentangle the influence of each contribution in the spectra obtained by time-resolved spectroscopy of the electron gas conductivity.

The second part of the thesis is concerned with spin dynamics of a small ferromagnetic cluster that consists of five iron atoms deposited on a non-magnetic, conducting substrate. A current flowing between a scanning tunnel microscope tip and the substrate inelastically excites the spin. We find that in the regime of weak coupling between the tip and the cluster, the current gives rise to spin noise, originating from a bi-stability of the system. We show that the spin noise can be measured in the current noise, which can be used to probe the cluster dynamics governed by inelastic spin excitation and anisotropy-induced magnetization tunneling.

Both model systems were analyzed with the master equation approach, which has proven to adequately describe the dynamics of systems that are weakly coupled to an electron bath. Finally, we implement the quantum Monte Carlo (QMC) approach for non-equilibrium situations. This numerical method is capable of describing the time evolution of systems with arbitrary interactions and couplings. We concentrate on two particular implementations of non-equilibrium QMC: one based on the expansion in the tunnel coupling, the other on the expansion in the Coulomb interaction. Both approaches are applied to a single-level quantum dot that is tunnel coupled to electron reservoirs. We discuss their applicability and limitations due to the dynamical sign problem with regard to the time dependence after initiating the tunnel coupling. We show that the implementation of the tunnel coupling expansion is independent of the interaction strength. It is, however, limited in the simulated time. The expansion in the Coulomb interaction, on the other hand, allows for slightly longer simulation times that, then again, strongly depend on the interaction strength.

In a further step, we analyze the single-level quantum dot with an embedded impurity by extending the tunnel coupling expansion approach accordingly. This reduced model for dilute magnetic quantum dots exhibits different regimes depending on the exchange interaction strength between electron and impurity. We find that weak exchange interaction resembles an effective magnetic field, while strong exchange interaction increases the relevance of coherent spin-flip processes.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit untersuchen wir Ladungs- und Spin-Dynamik in Nanostrukturen wie Quantenpunkten und kleinen ferromagnetischen Clustern. Diese Systeme werden durch eine externe Störung, wie etwa die Kopplung an ein Elektronenreservoir oder die abrupte Änderung äußerer elektrischer Felder, aus dem Gleichgewicht gebracht.

Um die Wechselwirkungen und Mechanismen zu untersuchen, welche die dynamischen Zeitskalen in Quantenpunkten und kleinen magnetischen Clustern bestimmen, verwenden wir Modellsysteme zusammen mit der Master-Gleichung. Des Weiteren stellen wir die Implementierung der Quanten-Monte-Carlo-Methode für Nicht-Gleichgewichts-Systeme vor.

Zuerst untersuchen wir die Ladungsdynamik von Quantenpunkten, die an ein zweidimensionales Elektronengas gekoppelt sind, nachdem die Gate-Spannung abrupt geändert wurde. Wir zeigen, dass die Ladungsdynamik der Quantenpunkte durch die Entartung der Zustände sowie durch das Wechselspiel zwischen Coulomb-Korrelationen und Relaxationsprozessen festgelegt ist. Wir erörtern dann, wie sich die verschiedenen Einflüsse in zeitaufgelösten Spektren der experimentell bestimmten Leitfähigkeit des Elektronengases widerspiegeln.

Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Spindynamik eines kleinen ferromagnetischen Clusters bestehend aus fünf Eisenatomen, die auf einem nicht-magnetischen, leitenden Substrat aufgebracht sind. Ein Strom, der zwischen der Spitze eines Rastertunnelmikroskops und dem Substrat fließt, führt zu inelastischen Spinanregungen des Clusters. Hier zeigt sich, dass im Regime schwacher Kopplung zwischen der Spitze und dem Cluster der Strom ein Spinrauschen erzeugt, welches von einer Bistabilität des Systems herrührt. Wir zeigen, dass sich das Spinrauschen im Rauschen des Stroms widerspiegelt. Die Messung dieses Stromrauschens kann dann verwendet werden, um die Cluster-Dynamik zu bestimmen, welche durch inelastische Spinanregung und Anisotropie-induzierte Magnetisierung charakterisiert ist.

Diese beiden Modellsysteme wurden zunächst mit Hilfe einer Master-Gleichung untersucht, welche die Dynamik von Systemen mit schwacher Kopplung an ein Elektronenreservoir beschreiben kann. Diese Betrachtung wird schließlich erweitert, indem wir eine Quanten-Monte-Carlo (QMC) Methode für Nicht-Gleichgewichts-Systeme implementieren. Dieses numerische Verfahren ermöglicht die Beschreibung der zeitlichen Entwicklung von Systemen mit beliebiger Wechselwirkungs- und Kopplungsstärke.

Wir konzentrieren uns auf zwei Implementierungen der Nicht-Gleichgewichts-QMC: eine basierend auf der Entwicklung in der Tunnelkopplung, die andere basierend auf der Entwicklung in der Coulomb-Wechselwirkungsstärke. Beide Ansätze werden angewendet auf einen Quantenpunkt mit einem einzigen elektronischen Niveau, der an ein Elektronenreservoir gekoppelt ist. Wir diskutieren Anwendbarkeit und Einschränkungen der Methoden im Zusammenhang mit dem dynamischen Vorzeichenproblem für die Zeitentwicklung nach Einschalten der Tunnelkopplung. Hier zeigen wir, dass Berechnungen basierend auf der Entwicklung in der Tunnelkopplung zwar unabhängig von der Stärke der Wechselwirkung sind, jedoch die simulierbare Zeit beschränkt ist. Die Entwicklung in der Coulomb-Wechselwirkungsstärke auf der anderen Seite, ermöglicht die Simulation längerer Zeiten, deren Dauer allerdings stark von der Wechselwirkungsstärke abhängig ist.

In einem weiteren Schritt analysieren wir einen Quantenpunkt, in den zusätzlich eine magnetische Störstelle eingebracht wurde, indem wir den Tunnelkopplungsansatz erweitern. Dieses System dient als reduziertes Modell für magnetische Quantenpunkte und zeigt unterschiedliche Regime in Abhängigkeit der Austauschwechselwirkungsstärke zwischen Elektronen und Störstelle. Eine schwache Austauschwechselwirkung wirkt wie ein effektives Magnetfeld, während für starke Austauschwechselwirkungen kohärente Spin-Flip-Prozesse an Relevanz für die Dynamik des gekoppelten Systems gewinnen.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende