Transport poza równowagą i korelacje Kondo w układach nanoskalowych

Abstract

Układy kwantowych domieszek można projektować na poziomie nanoskali jako kropki kwantowe, nanodruty półprzewodnikowe, adatomy lub cząsteczki magnetyczne osadzone w złączach tunelowych lub na powierzchni metalicznej. Takie układy mogą wykazywać różne efekty kwantowe wynikające z silnego ograniczenia przestrzennego elektronów. Bardziej złożone zjawiska wielociałowe mogą pojawiać się, gdy domieszka zaczyna oddziaływać z otoczeniem układu. Efekt Kondo jest jednym z takich fascynujących zjawisk wielociałowych, wynikających z silnych oddziaływań elektronowych między domieszką a elektronami pasma przewodnictwa. Układy kwantowych domieszek skorelowanych poprzez efekt Kondo wykazują wiele charakterystycznych zachowań. Przede wszystkim pojawia się rezonans w gęstości stanów domieszki na poziomie Fermiego, tzw. rezonans Kondo-Abrikosov-Suhl, który może również pośredniczyć w transporcie przez domieszkę, co skutkuje charakterystycznym szczytem przewodnictwa przy zerowym napięciu w układach Kondo. Rezonans Kondo może również przejawiać się w właściwościach transportu termoelektrycznego, takich jak współczynnik Seebecka, gdy układ nie zachowuje symetrii elektron-dziura. Choć istnieje głębokie zrozumienie takich stanów skorelowanych w równowadze, opis korelacji Kondo poza równowagą stanowi otwarty problem w dziedzinie fizyki ciała stałego. Prace, które składają się na tę rozprawę doktorską, rzucają światło na różne słabo zbadane zagadnienia transportu kwantowego w obecności korelacji Kondona poza równowagą.

Quantum impurity systems can be designed at the nanoscale as semiconductor quantum dots, nanowires, adatoms or magnetic molecules embedded in tunnel junctions, or on a metallic surface as in scanning tunneling microscopy settings. Such systems can exhibit various quantum effects originating from the strong confinement of electrons into lower dimensions. More complex many-body phenomena can emerge when the impurity starts to interact with the rest of the system. The Kondo effect is one such fascinating many-body phenomenon originating from the strong electronic interactions between the impurity and the conduction band electrons. Many characteristic behaviors are exhibited by Kondo-correlated quantum impurity systems. Primarily, a resonance peak in the density of states of the impurity at the Fermi level, the so-called Kondo-Abrikosov-Suhl resonance, emerges which can also mediate the transport through the impurity resulting in a characteristic zero-bias conductance peak in Kondo systems. The Kondo resonance can also manifest in the thermoelectric transport properties, such as the Seebeck coefficient, if the system is not particle-hole symmetric. While there is a great understanding of such correlated states at equilibrium, describing the Kondo correlations out of equilibrium had been an open problem in the field of condensed matter physics. The works that make up this doctoral dissertation shed light on various scarcely explored nonequilibrium regimes of quantum transport in the presence of Kondo correlations.