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From the Kondo box problem to the physics of the Kondo-lattice box

Andrej Schwabe

Published Mar 31, 2014• 0 citations
OpenAlex

Abstract

The Kondo effect, the screening of the spin of an impurity by the conduction electrons of a metallic host system, is a standard problem in solid state physics. At weak coupling strengths between the host system and a group of impurities, the Kondo competes with indirect (RKKY) exchange, mediated by the conduction electrons, which promotes magnetic order among the impurities. This work deals with the physics emerging in impurity systems with spatially confined metallic host materials, relevant to the quantum dots and artificial nanostructures created by scanning tunnelling techniques. It is shown that (i) the finite system size leads to an unconventional reentrant competition, where the Kondo prevails at weak couplings in contradiction to the standard Doniach picture. (ii) A novel mechanism is proposed which ferromagnetically correlates the impurities' magnetic moments without any indirect exchange. (iii) In case of degenerate Fermi levels, a multi-channel Kondo effect is observed. (iv) In the regime of strong couplings magnetic ordering is shown to be driven by a novel inverse indirect magnetic exchange (IIME), which is mediated by magnetically inert Kondo singlets. The evolution of this physics is studied from the single-impurity Kondo box limit via the Kondo-vs.-RKKY quantum box to the regime of the Kondo-lattice box. Key insights are gained analytically by deriving effective low-energy Hamiltonians in the respective regimes by perturbation theory, and numerically by means of density-matrix renormalisation group (DMRG), dynamical mean-field theory (DMFT), and full diagonalisation calculations. The presented theoretical concept is robust against weak environmental influences. The predicted effects await an experimental confirmation and exploration. Der Kondo-Effekt, die Abschirmung eines Storstellen-Spins durch Leitungselektronen eines metallischen Wirtssystems, ist ein Standardproblem in der Festkorperphysik. Bei schwachen Kopplungen zwischen dem Wirtssystem und einer Gruppe von Storstellen konkurriert er mit dem indirekten, durch die Leitungselektronen vermittelten (RKKY) Austausch, der magnetische Ordnungen der Storstellen begunstigt. Die vorliegende Arbeit behandelt die Physik von Storstellensystemen mit raumlich eingeschrankten metallischen Wirtsmaterialien, die von groser Bedeutung ist fur Quantenpunkte und kunstliche Nanostrukturen, die mit Rastertunneltechniken erschaffen werden konnen. Es wird gezeigt, dass (i) die endliche Systemgrose zu einem unkonventionellen Wettstreit fuhrt, in dem der Kondo-Effekt sich entgegen den Standardvorstellungen nach Doniach bei kleinen Kopplungen durchsetzt. (ii) Ein neuartiger Mechanismus wird vorgeschlagen, der die magnetischen Momente von Storstellen ohne jeglichen indirekten Austausch ferromagnetisch korreliert. (iii) Im Fall von entarteten Fermikanten-Zustanden wird ein multi-channel finite-size Kondo-Effekt beobachtet. (iv) Magnetische Ordnung im Regime groser Kopplungen wird durch einen neuartigen inversen indirekten magnetischen Austausch (IIMA) verursacht, der durch magnetisch inerte Kondo-Singlets vermittelt wird. Die Entwicklung dieser Physik wird untersucht von der Eine-Storstelle-Kondo-Box, uber die Kondo-vs.-RKKY-Quantum-Box, bis hin zum Regime der Kondo-Gitter-Box. Schlusselerkenntnisse werden analytisch gewonnen durch die storungstheoretische Ableitung von effektiven Niedrigenergie-Hamiltonoperatoren in den entsprechenden Grenzfallen und numerisch mithilfe von Dichtematrix-Renormierungsgruppe (DMRG), dynamischer Meanfield-Theorie (DMFT) und voller Diagonalisierung. Das vorgestellte Konzept ist robust gegen schwache Umgebungseinflusse. Die vorhergesagten Effekte sehen einer experimentellen Bestatigung und Erforschung entgegen.

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Kondo Screening vs Indirect Magnetic Exchange in a Kondo Quantum Box

Daniel Gütersloh

The goal of this book is the investigation of physical effects at low energies caused by magnetic impurity adatoms, coupled to a small non-magnetic metallic substrate surface. Such systems can be understood with help of multi-impurity Kondo models, describing the substrate as a tight-binding model of finite-size and the impurities as quantum spins, which are antiferromagnetically coupled locally to their respective substrate sites. Focusing on one-dimensional finite-size systems with open boundary conditions at half-filling numerical exact diagonalisation and the variation of matrix product states (VMPS) method are used for the investigation. It is the aim to study finite-size effects in different regimes of the magnetic exchange interaction. For example due to the finite size of the system, the interplay of the Kondo effect and the indirect magnetic Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction between impurity spins is site dependent and non-trivial for at least three impurity Kondo systems. Furthermore evidence for an unconventional and novel magnetic coupling mechanism, causing magnetic order in the actually non-magnetic substrate, due to inverse indirect magnetic exchange, will be given.

AV Akademikerverlag eBooks•Aug 4, 2013•0 citations

Equilibrium and nonequilibrium dynamics close to impurity quantum phase transitions

Benedikt Lechtenberg

In den letzten Jahren haben Quantenpunkte viel Aufmerksamkeit erhalten, da ihre magnetischen Eigenschaften für Spintronik Geräte benutzt oder ein in einem Quantenpunkt eingesperrter Spin als Qubit für einen Quantencomputer verwendet werden könnte. In dieser Arbeit untersuchen wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften von verschiedenen Quantenstörstellensystemen (QIS). Als erstes wird das Kondo-Modell betrachtet, in dem das lokale magnetische Moment einer Störstelle über eine Heisenberg-Wechselwirkung an ein fermionisches Bad gekoppelt ist. Wir untersuchen, wie die Kondokorrelationen aufgebaut werden und wie sie sich durch das Leitungsband ausbreiten. Die Nichtgleichgewichtsergebnisse zeigen, dass die meisten Korrelationen sich innerhalb eines Lichtkegels ausbreiten, der bestimmt ist durch die Fermi-Geschwindigkeit. Interessanterweise sehen wir auch Korrelationen außerhalb des Lichtkegels. Mittels einer Störungstheorie in zweiter Ordnung in der Kopplung, können wir zeigen, dass diese Korrelationen mit den intrinsischen Korrelationen des Fermi-Sees zusammenhängen. Weiterhin stellen wir ein Experiment vor, in dem Metall-Molekül-Komplexe durch Reaktion von einem PTCDA Molekül, das auf einer Au(111) Oberfläche adsorbiert, mit einem einzelnen Au Atom gebildet werden. Dies führt zur Entstehung von Radikalen. Der beobachtete Kondoeffekt in den Rastertunnelmikroskopie (STM) Spektren ist ein eindeutiger Beweis für die Bildung eines lokalen Momentes. Die physikalisch korrekte Beschreibung der Bildung des lokalen Momentes und des Kondoeffekt ist jedoch mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) nicht möglich. Daher verwenden wir einen kombinierten DFT + Numerische Renormierungsgruppen (NRG) Ansatz, in dem wir die Ergebnisse der DFT als “ab initio” Eingangs-Parameter für unsere NRG verwenden. Wir zeigen, dass die Ergebnisse des Experiments und der NRG ohne Anpassungen der Modellparameter sehr gut übereinstimmen. Wenn zwei Au Atome auf benachbarten PTCDA Molekülen adsorbieren, weist das Spektrum in manchen Fällen eine Lücke um die Fermi-Energie, anstatt einer Kondoresonanz auf. Indem wir das System auf ein Zwei-Störstellen-Anderson-Modell (TIAM) abbilden, können wir zeigen, dass diese Lücke durch die starke nichtmagnetische chemische Wechselwirkung zwischen den beiden Komplexen entsteht. Mittels unserer NRG Ergebnisse liefern wir eine ausführliche Analyse des auftretenden Quantenphasenübergangs (QPT). Am Schluss betrachten wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften des Zwei-Störstellen-Kondo-Modells (TIKM), welches einen QPT aufweist, wenn man die Energieabhängigkeit der Kopplungen an das Leitungsband vernachlässigt. Wir zeigen, dass es möglich ist, diesen QPT in dem voll energieabhängigen Modell mittels passenden Potentialstreutermen wiederherzustellen. Danach wird die Zeitdynamik nach einem Quench in der direkten Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen den beiden Störstellenspins untersucht. Es wird gezeigt, dass eine ausreichend große antiferromagnetische Wechselwirkung die Thermalisierung der Spin-Spin-Korrelationsfunktion verhindert, da in diesem Fall die Störstellen vom Leitungsband entkoppeln.

•Jan 1, 2015•1 citation

Spectroscopy of the Kondo Problem in a Box

Ribhu K. Kaul, Gergely Zaránd, Shailesh Chandrasekharan A +2 more

Motivated by experiments on double quantum dots, we study the problem of a single magnetic impurity confined in a finite metallic host. We prove an exact theorem for the ground state spin, and use analytic and numerical arguments to map out the spin structure of the excitation spectrum of the many-body Kondo-correlated state, throughout the weak to strong coupling crossover. These excitations can be probed in a simple tunneling-spectroscopy transport experiment; for that situation we solve rate equations for the conductance.

arXiv:cond-mat/0601274•Physical Review Letters•May 3, 2006•34 citations

Real-space correlations in dissipative quantum systems

Etienne Gärtner

In der vorliegenden Arbeit werden dissipative Quantenstorstellen-Systeme betrachtet, in denen verschieden geartete Storstellen an eine gemeinsame dissipative Umgebung koppeln. Die dissipative Umgebung wird hierbei in beiden Fallen durch eine eindimensionale Kette von Bosonen mit ohmscher Spektraldichte beschrieben. Da durch die Kopplung von Storstellen an die Umgebung deren Translationsinvarianz gebrochen wird, ergibt sich die Frage, inwiefern verschiedenartige Storstellen innerhalb der eindimensionale Kette nachweisbar sind. Hierzu werden statische thermische Erwartungswerte innerhalb der Kette als Funktion des Abstandes zu den Storstellen in beiden Modellen betrachtet. In dem zuerst betrachteten Modell fungiert ein Oszillator als Storstelle, der mit sich selbst durch Dichte-Dichte-Wechselwirkungen interagieren kann. Bei Abwesenheit dieser Selbstwechselwirkung konnen die Bewegungsgleichungen des betrachteten, rein bosonischen Modells, vollstandig analytisch gelost werden. Im Grenzfall unendlich starker Selbstwechselwirkung geht das Modell in das bekannte Spin-Boson Modell uber [2, 4]. Dieses zeigt einen Kosterlitz-Thouless Quantenphasenubergang in Abhangigkeit der Kopplungsstarke zwischen Storstellenoszillator und Umgebung. Hierbei findet der Ubergang zwischen einer delokalisierten Phase und einer lokalisierten Phase auf der Storstelle statt. Wahrend in der delokalisierten Phase eine endliche Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen den beiden moglichen Zustanden der Storstelle besteht, wird die Storstelle in der lokalisierten Phase durch die starke Kopplung an ihre Umgebung in einem der beiden Zustande eingefroren und ein Tunneln ist nicht mehr moglich. Da das System fur endliche Selbstwechselwirkungsstarken nicht analytisch losbar ist, verwenden wir in diesem Parameterregime die Numerische Renormierungsgruppenmethode (NRG), um Resultate zu erhalten. Basierend auf den Ergebnissen der NRG-Berechnungen wird ein Phasendiagramm entwickelt, welches eine Linie von Quantenphasenubergangen als Funktion der Kopplungsstarke zwischen Storstellenoszillator und Umgebung fur alle Werte der Selbstwechselwirkung der Storstelle aufweist. Fur das zweite betrachtete Modell werden zwei magnetische Spin-1/2 Momente als Storstellen gewahlt, die in einem endlichen Abstand voneinander an die gemeinsame Umgebung koppeln. Dieses Modell wurde bereits ausgiebig fur den Fall untersucht, dass

•May 5, 2014•0 citations

Kondo screening and indirect magnetic exchange through a conventional superconductor studied by the density matrix renormalization group

Cassian Plorin, Michael Potthoff

The competition between the Kondo screening and indirect magnetic exchange in systems with two magnetic impurities coupled to a conventional $s$-wave superconductor gives rise to a nontrivial ground-state phase diagram. Here, we utilize the density matrix renormalization group (DMRG) method and exploit the non-Abelian spin-SU(2) symmetry to study the phase diagram for two quantum spin-$\frac{1}{2}$ impurities locally exchange coupled to large one-dimensional chains. The nonlocal interimpurity exchange is treated as an emergent Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) coupling. We find qualitatively different phase diagrams for impurity spins coupled to sites with odd or even distances $d$ on the chain and a partial Kondo-screened spin-doublet phase that extends over the whole range of local exchange couplings $J$ in the limit of weak superconducting pairing strength $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}$. Our numerical DMRG studies are complemented by exact diagonalization of small (quantum-box) systems and by perturbative-in-$J$ computations of the $d$- and $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}$-dependent RKKY interaction. It is thereby demonstrated that the specific system geometry is essential for our understanding of magnetic impurity interactions in superconducting hosts, and thus for insights into the control of quantum-state properties in nanoparticle systems and topological superconductivity.

arXiv:2406.05029•Physical review. B./Physical review. B•Aug 9, 2024•1 citation

Coherent effects in transport through open many-body one-dimensional systems

Antonio Štrkalj

Diese Arbeit befasst sich mit den kohärenten Effekten in mesoskopischen Systemen, die eindimensional sind.Mesoskopische Systeme sind besonders interessant, da ihre Grösse an der Grenze zwischen die mikroskopische Welt, die von der Quantenphysik regiert wird, und die makroskopische Welt, die den Gesetzen der klassischen Physik gehorcht, liegt.Um genauer zu sein, wir handeln mit Systemen, die gross genug sind, um viele konstituierende Teilchen zu haben, aber klein genug, um die Effekte der Quantenkohärenz dieser Teilchen zu zeigen.Sobald die mesoskopischen Systeme nur noch eindimensional sind, hat jede Störung einen tiefgreifenden Einfluss auf ihre Physik und kann neuartige Effekte hervorrufen, die sowohl für die Grundlagenwissenschaft als auch für praktische Anwendungen wichtig sind.Wir untersuchen daher, wie die häufigsten Störungen wie Wechselwirkungen zwischen Teilchen, der Einfluss der Umgebung, des externen Potenzials und der nichttrivialen Bandstruktur zusammenwirken, um neuartige Effekte in eindimensionalen mesoskopischen Systemen zu erzeugen.Die Arbeit gliedert sich logischerweise in drei Hauptteile, die insgesamt fünf Projekte umfassen.Der Hauptdarsteller des ersten Teils ist der stark wechselwirkende Quantendraht.Es ist bekannt, dass Wechselwirkungen eine Fülle interessanter Effekte in eindimensionalen Systemen hervorrufen, und im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie einige dieser Effekte verändert werden, wenn der Draht mit externen Leitungen verbunden wird.Wir gehen über die Standardbeschreibung der Leitungen als Markov'sche Bäder mit ohmschem Rauschleistungsspektrum hinaus und betrachten sie stattdessen als Bäder mit endlicher Kapazität oder als Bäder mit nicht-ohmschen Rauschleistungsspektren. Zunächst untersuchen wir die Tunnelspektroskopie des mit den kapazitiven Leitungen verbundenen Drahtes und entdecken neue Regime, die sich durch verstärktes Tunneln bei niedrigen Energien und ein universelles Abklingen des Tunnels bei hohen Energien auszeichnen.Darüber hinaus zeigen die lokalen Tunnelmessungen die einzigartige räumliche Abhängigkeit, die die Bildung von stehenden plasmonischen Wellen im Draht kennzeichnet.Wir nutzen dann die Ergebnisse des ersten Projekts und gehen im zweiten Projekt einen Schritt weiter und untersuchen, wie die nichtohmschen Leitungen den Transport durch einen interagierenden Draht, der eine einzige rückstreuende Verunreinigung enthält, beeinflussen.Ohne Elektroden verschwindet die Leitfähigkeit durch den interagierenden Draht bei abstossenden Wechselwirkungen zwischen Elektronen, während sie bei anziehenden Wechselwirkungen endlich bleibt.Bei Vorhandensein von Ableitungen entdecken wir, dass bei bestimmten Energieskalen das nichtohmsche Rauschleistungsspektrum dazu führen kann, dass sich ein abstossend wechselwirkender Draht wie ein anziehend wechselwirkender Draht verhält und umgekehrt.Dieser Effekt iii iv manifestiert sich in der Leitfähigkeit durch den Draht, die in Experimenten direkt gemessen werden kann.Im zweiten Teil dieser Arbeit entfernen wir die Leitungen und fügen dem unendlich langen Draht eine räumlich verteilte Unordnung hinzu.Als Unordnung wählen wir ein lokales Potential mit einer quasiperiodischen Modulation, so dass das ganze System zu einem Quasikristall wird.Quasikristalle haben keine Translationssymmetrie und sind nicht periodisch, aber dennoch geordnet und deterministisch.Dies führt zu reichen Lokalisierungseigenschaften, wie z.B. fraktalen kritischen Wellenfunktionen, die im Raum zerfallen, aber nicht vollständig lokalisiert sind.Bei Vorhandensein von Wechselwirkungen können quasiperiodische Modelle lokalisierte Phasen mit vielen Körpern enthalten, in denen die Dynamik des Systems selbst bei extrem hohen Temperaturen eingefroren ist.Im ersten Projekt dieses Teils der Arbeit untersuchen wir, wie die kritischen Zustände durch eine Kaskade von bandselektiven Lokalisierungs-/Delokalisierungsübergängen in dem spezifischen, nicht wechselwirkenden quasiperiodischen Modell gebildet werden.In Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe erklären wir den für die Kaskade verantwortlichen Mechanismus und entdecken ein reichhaltiges Phasendiagramm.Im zweiten Projekt fügen wir die Wechselwirkungen zu demselben quasiperiodischen Modell hinzu und erhalten sein Mehrkörper-Lokalisierungsphasendiagramm.Wir zeigen, dass die Kaskade der Delokalisierungsübergänge, die im nicht interagierenden Fall gefunden wurde, selbst bei schwachen Interaktionen verschwindet.Das Thema des dritten Teils dieser Arbeit ist die Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen Geräten.Obwohl das untersuchte Gerät nicht streng eindimensional ist, zeigen wir, dass die Physik durch ein effektives System von gekoppelten Quantendrähten mit unterschiedlichen Energiedispersionen beschrieben werden kann.Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit den experimentellen Kollegen durchgeführt, wobei wir den Transport durch einen Hohlraum in einem zweidimensionalen Material untersuchen, das durch Band-Inversion und Elektron-Loch-Hybridisierung gekennzeichnet ist.Wir stellen fest, dass die Elektron-Loch-Hybridisierung in band-invertierten Systemen eine kohärente Interferenz bei Transportmessungen ermöglichen kann.In solchen Systemen haben Leitungs-und Volanzbänder die Form eines Sombrero-Hutes, der in Kombination mit einer dominanten Elektron-Loch-Streuung an den Hohlraum-Blei-Grenzflächen parallele eindimensionale Transportkanäle erzeugt.Diese parallelen Transportkanäle haben die gleichen Bedingungen für konstruktive Interferenz, was zu einem nicht verschwindenden Interferenzmuster führt, selbst nach Mittelwertbildung über mehrere Einfallswinkel.Auf diese Weise entdecken wir einen neuen Mechanismus zur Realisierung der Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen mesoskopischen band-invertierten Systemen, der bisher nur in eindimensionalen Geräten, wie z.B. in Nanoröhren, und in zweidimensionalen graphenbasierten Geräten demonstriert wurde.

•Jan 1, 2021•1 citation
The Kondo effect, the screening of the spin of an impurity by the conduction electrons of a metallic host system, is a standard problem in solid state physics. At weak coupling strengths between the host system and a group of impurities, the Kondo competes with indirect (RKKY) exchange, mediated by the conduction electrons, which promotes magnetic order among the impurities.
This work deals with the physics emerging in impurity systems with spatially confined metallic host materials, relevant to the quantum dots and artificial nanostructures created by scanning tunnelling techniques. It is shown that (i) the finite system size leads to an unconventional reentrant competition, where the Kondo prevails at weak couplings in contradiction to the standard Doniach picture. (ii) A novel mechanism is proposed which ferromagnetically correlates the impurities' magnetic moments without any indirect exchange. (iii) In case of degenerate Fermi levels, a multi-channel Kondo effect is observed. (iv) In the regime of strong couplings magnetic ordering is shown to be driven by a novel inverse indirect magnetic exchange (IIME), which is mediated by magnetically inert Kondo singlets.
The evolution of this physics is studied from the single-impurity Kondo box limit via the Kondo-vs.-RKKY quantum box to the regime of the Kondo-lattice box. Key insights are gained analytically by deriving effective low-energy Hamiltonians in the respective regimes by perturbation theory, and numerically by means of density-matrix renormalisation group (DMRG), dynamical mean-field theory (DMFT), and full diagonalisation calculations.
The presented theoretical concept is robust against weak environmental influences. The predicted effects await an experimental confirmation and exploration.
Der Kondo-Effekt, die Abschirmung eines Storstellen-Spins durch Leitungselektronen eines metallischen Wirtssystems, ist ein Standardproblem in der Festkorperphysik. Bei schwachen Kopplungen zwischen dem Wirtssystem und einer Gruppe von Storstellen konkurriert er mit dem indirekten, durch die Leitungselektronen vermittelten (RKKY) Austausch, der magnetische Ordnungen der Storstellen begunstigt.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Physik von Storstellensystemen mit raumlich eingeschrankten metallischen Wirtsmaterialien, die von groser Bedeutung ist fur Quantenpunkte und kunstliche Nanostrukturen, die mit Rastertunneltechniken erschaffen werden konnen. Es wird gezeigt, dass (i) die endliche Systemgrose zu einem unkonventionellen Wettstreit fuhrt, in dem der Kondo-Effekt sich entgegen den Standardvorstellungen nach Doniach bei kleinen Kopplungen durchsetzt. (ii) Ein neuartiger Mechanismus wird vorgeschlagen, der die magnetischen Momente von Storstellen ohne jeglichen indirekten Austausch ferromagnetisch korreliert. (iii) Im Fall von entarteten Fermikanten-Zustanden wird ein multi-channel finite-size Kondo-Effekt beobachtet. (iv) Magnetische Ordnung im Regime groser Kopplungen wird durch einen neuartigen inversen indirekten magnetischen Austausch (IIMA) verursacht, der durch magnetisch inerte Kondo-Singlets vermittelt wird.
Die Entwicklung dieser Physik wird untersucht von der Eine-Storstelle-Kondo-Box, uber die Kondo-vs.-RKKY-Quantum-Box, bis hin zum Regime der Kondo-Gitter-Box. Schlusselerkenntnisse werden analytisch gewonnen durch die storungstheoretische Ableitung von effektiven Niedrigenergie-Hamiltonoperatoren in den entsprechenden Grenzfallen und numerisch mithilfe von Dichtematrix-Renormierungsgruppe (DMRG), dynamischer Meanfield-Theorie (DMFT) und voller Diagonalisierung.
Das vorgestellte Konzept ist robust gegen schwache Umgebungseinflusse. Die vorhergesagten Effekte sehen einer experimentellen Bestatigung und Erforschung entgegen.
The goal of this book is the investigation of physical effects at low energies caused by magnetic impurity adatoms, coupled to a small non-magnetic metallic substrate surface. Such systems can be understood with help of multi-impurity Kondo models, describing the substrate as a tight-binding model of finite-size and the impurities as quantum spins, which are antiferromagnetically coupled locally to their respective substrate sites. Focusing on one-dimensional finite-size systems with open boundary conditions at half-filling numerical exact diagonalisation and the variation of matrix product states (VMPS) method are used for the investigation. It is the aim to study finite-size effects in different regimes of the magnetic exchange interaction. For example due to the finite size of the system, the interplay of the Kondo effect and the indirect magnetic Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction between impurity spins is site dependent and non-trivial for at least three impurity Kondo systems. Furthermore evidence for an unconventional and novel magnetic coupling mechanism, causing magnetic order in the actually non-magnetic substrate, due to inverse indirect magnetic exchange, will be given.
In den letzten Jahren haben Quantenpunkte viel Aufmerksamkeit erhalten, da ihre magnetischen Eigenschaften für Spintronik Geräte benutzt oder ein in einem Quantenpunkt eingesperrter Spin als Qubit für einen Quantencomputer verwendet werden könnte. In dieser Arbeit untersuchen wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften von verschiedenen Quantenstörstellensystemen (QIS). Als erstes wird das Kondo-Modell betrachtet, in dem das lokale magnetische Moment einer Störstelle über eine Heisenberg-Wechselwirkung an ein fermionisches Bad gekoppelt ist. Wir untersuchen, wie die Kondokorrelationen aufgebaut werden und wie sie sich durch das Leitungsband ausbreiten. Die Nichtgleichgewichtsergebnisse zeigen, dass die meisten Korrelationen sich innerhalb eines Lichtkegels ausbreiten, der bestimmt ist durch die Fermi-Geschwindigkeit. Interessanterweise sehen wir auch Korrelationen außerhalb des Lichtkegels. Mittels einer Störungstheorie in zweiter Ordnung in der Kopplung, können wir zeigen, dass diese Korrelationen mit den intrinsischen Korrelationen des Fermi-Sees zusammenhängen. Weiterhin stellen wir ein Experiment vor, in dem Metall-Molekül-Komplexe durch Reaktion von einem PTCDA Molekül, das auf einer Au(111) Oberfläche adsorbiert, mit einem einzelnen Au Atom gebildet werden. Dies führt zur Entstehung von Radikalen. Der beobachtete Kondoeffekt in den Rastertunnelmikroskopie (STM) Spektren ist ein eindeutiger Beweis für die Bildung eines lokalen Momentes. Die physikalisch korrekte Beschreibung der Bildung des lokalen Momentes und des Kondoeffekt ist jedoch mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) nicht möglich. Daher verwenden wir einen kombinierten DFT + Numerische Renormierungsgruppen (NRG) Ansatz, in dem wir die Ergebnisse der DFT als “ab initio” Eingangs-Parameter für unsere NRG verwenden. Wir zeigen, dass die Ergebnisse des Experiments und der NRG ohne Anpassungen der Modellparameter sehr gut übereinstimmen. Wenn zwei Au Atome auf benachbarten PTCDA Molekülen adsorbieren, weist das Spektrum in manchen Fällen eine Lücke um die Fermi-Energie, anstatt einer Kondoresonanz auf. Indem wir das System auf ein Zwei-Störstellen-Anderson-Modell (TIAM) abbilden, können wir zeigen, dass diese Lücke durch die starke nichtmagnetische chemische Wechselwirkung zwischen den beiden Komplexen entsteht. Mittels unserer NRG Ergebnisse liefern wir eine ausführliche Analyse des auftretenden Quantenphasenübergangs (QPT). Am Schluss betrachten wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften des Zwei-Störstellen-Kondo-Modells (TIKM), welches einen QPT aufweist, wenn man die Energieabhängigkeit der Kopplungen an das Leitungsband vernachlässigt. Wir zeigen, dass es möglich ist, diesen QPT in dem voll energieabhängigen Modell mittels passenden Potentialstreutermen wiederherzustellen. Danach wird die Zeitdynamik nach einem Quench in der direkten Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen den beiden Störstellenspins untersucht. Es wird gezeigt, dass eine ausreichend große antiferromagnetische Wechselwirkung die Thermalisierung der Spin-Spin-Korrelationsfunktion verhindert, da in diesem Fall die Störstellen vom Leitungsband entkoppeln.
Motivated by experiments on double quantum dots, we study the problem of a single magnetic impurity confined in a finite metallic host. We prove an exact theorem for the ground state spin, and use analytic and numerical arguments to map out the spin structure of the excitation spectrum of the many-body Kondo-correlated state, throughout the weak to strong coupling crossover. These excitations can be probed in a simple tunneling-spectroscopy transport experiment; for that situation we solve rate equations for the conductance.
In der vorliegenden Arbeit werden dissipative Quantenstorstellen-Systeme betrachtet, in denen verschieden geartete Storstellen an eine gemeinsame dissipative Umgebung koppeln. Die dissipative Umgebung wird hierbei in beiden Fallen durch eine eindimensionale Kette von Bosonen mit ohmscher Spektraldichte beschrieben. Da durch die Kopplung von Storstellen an die Umgebung deren Translationsinvarianz gebrochen wird, ergibt sich die Frage, inwiefern verschiedenartige Storstellen innerhalb der eindimensionale Kette nachweisbar sind. Hierzu werden statische thermische Erwartungswerte innerhalb der Kette als Funktion des Abstandes zu den Storstellen in beiden Modellen betrachtet. In dem zuerst betrachteten Modell fungiert ein Oszillator als Storstelle, der mit sich selbst durch Dichte-Dichte-Wechselwirkungen interagieren kann. Bei Abwesenheit dieser Selbstwechselwirkung konnen die Bewegungsgleichungen des betrachteten, rein bosonischen Modells, vollstandig analytisch gelost werden. Im Grenzfall unendlich starker Selbstwechselwirkung geht das Modell in das bekannte Spin-Boson Modell uber [2, 4]. Dieses zeigt einen Kosterlitz-Thouless Quantenphasenubergang in Abhangigkeit der Kopplungsstarke zwischen Storstellenoszillator und Umgebung. Hierbei findet der Ubergang zwischen einer delokalisierten Phase und einer lokalisierten Phase auf der Storstelle statt. Wahrend in der delokalisierten Phase eine endliche Tunnelwahrscheinlichkeit zwischen den beiden moglichen Zustanden der Storstelle besteht, wird die Storstelle in der lokalisierten Phase durch die starke Kopplung an ihre Umgebung in einem der beiden Zustande eingefroren und ein Tunneln ist nicht mehr moglich. Da das System fur endliche Selbstwechselwirkungsstarken nicht analytisch losbar ist, verwenden wir in diesem Parameterregime die Numerische Renormierungsgruppenmethode (NRG), um Resultate zu erhalten. Basierend auf den Ergebnissen der NRG-Berechnungen wird ein Phasendiagramm entwickelt, welches eine Linie von Quantenphasenubergangen als Funktion der Kopplungsstarke zwischen Storstellenoszillator und Umgebung fur alle Werte der Selbstwechselwirkung der Storstelle aufweist. Fur das zweite betrachtete Modell werden zwei magnetische Spin-1/2 Momente als Storstellen gewahlt, die in einem endlichen Abstand voneinander an die gemeinsame Umgebung koppeln. Dieses Modell wurde bereits ausgiebig fur den Fall untersucht, dass
The competition between the Kondo screening and indirect magnetic exchange in systems with two magnetic impurities coupled to a conventional sss-wave superconductor gives rise to a nontrivial ground-state phase diagram. Here, we utilize the density matrix renormalization group (DMRG) method and exploit the non-Abelian spin-SU(2) symmetry to study the phase diagram for two quantum spin-12\frac{1}{2}21​ impurities locally exchange coupled to large one-dimensional chains. The nonlocal interimpurity exchange is treated as an emergent Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) coupling. We find qualitatively different phase diagrams for impurity spins coupled to sites with odd or even distances ddd on the chain and a partial Kondo-screened spin-doublet phase that extends over the whole range of local exchange couplings JJJ in the limit of weak superconducting pairing strength $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}$. Our numerical DMRG studies are complemented by exact diagonalization of small (quantum-box) systems and by perturbative-in-JJJ computations of the ddd- and $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}$-dependent RKKY interaction. It is thereby demonstrated that the specific system geometry is essential for our understanding of magnetic impurity interactions in superconducting hosts, and thus for insights into the control of quantum-state properties in nanoparticle systems and topological superconductivity.
Diese Arbeit befasst sich mit den kohärenten Effekten in mesoskopischen Systemen, die eindimensional sind.Mesoskopische Systeme sind besonders interessant, da ihre Grösse an der Grenze zwischen die mikroskopische Welt, die von der Quantenphysik regiert wird, und die makroskopische Welt, die den Gesetzen der klassischen Physik gehorcht, liegt.Um genauer zu sein, wir handeln mit Systemen, die gross genug sind, um viele konstituierende Teilchen zu haben, aber klein genug, um die Effekte der Quantenkohärenz dieser Teilchen zu zeigen.Sobald die mesoskopischen Systeme nur noch eindimensional sind, hat jede Störung einen tiefgreifenden Einfluss auf ihre Physik und kann neuartige Effekte hervorrufen, die sowohl für die Grundlagenwissenschaft als auch für praktische Anwendungen wichtig sind.Wir untersuchen daher, wie die häufigsten Störungen wie Wechselwirkungen zwischen Teilchen, der Einfluss der Umgebung, des externen Potenzials und der nichttrivialen Bandstruktur zusammenwirken, um neuartige Effekte in eindimensionalen mesoskopischen Systemen zu erzeugen.Die Arbeit gliedert sich logischerweise in drei Hauptteile, die insgesamt fünf Projekte umfassen.Der Hauptdarsteller des ersten Teils ist der stark wechselwirkende Quantendraht.Es ist bekannt, dass Wechselwirkungen eine Fülle interessanter Effekte in eindimensionalen Systemen hervorrufen, und im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie einige dieser Effekte verändert werden, wenn der Draht mit externen Leitungen verbunden wird.Wir gehen über die Standardbeschreibung der Leitungen als Markov'sche Bäder mit ohmschem Rauschleistungsspektrum hinaus und betrachten sie stattdessen als Bäder mit endlicher Kapazität oder als Bäder mit nicht-ohmschen Rauschleistungsspektren. Zunächst untersuchen wir die Tunnelspektroskopie des mit den kapazitiven Leitungen verbundenen Drahtes und entdecken neue Regime, die sich durch verstärktes Tunneln bei niedrigen Energien und ein universelles Abklingen des Tunnels bei hohen Energien auszeichnen.Darüber hinaus zeigen die lokalen Tunnelmessungen die einzigartige räumliche Abhängigkeit, die die Bildung von stehenden plasmonischen Wellen im Draht kennzeichnet.Wir nutzen dann die Ergebnisse des ersten Projekts und gehen im zweiten Projekt einen Schritt weiter und untersuchen, wie die nichtohmschen Leitungen den Transport durch einen interagierenden Draht, der eine einzige rückstreuende Verunreinigung enthält, beeinflussen.Ohne Elektroden verschwindet die Leitfähigkeit durch den interagierenden Draht bei abstossenden Wechselwirkungen zwischen Elektronen, während sie bei anziehenden Wechselwirkungen endlich bleibt.Bei Vorhandensein von Ableitungen entdecken wir, dass bei bestimmten Energieskalen das nichtohmsche Rauschleistungsspektrum dazu führen kann, dass sich ein abstossend wechselwirkender Draht wie ein anziehend wechselwirkender Draht verhält und umgekehrt.Dieser Effekt iii iv manifestiert sich in der Leitfähigkeit durch den Draht, die in Experimenten direkt gemessen werden kann.Im zweiten Teil dieser Arbeit entfernen wir die Leitungen und fügen dem unendlich langen Draht eine räumlich verteilte Unordnung hinzu.Als Unordnung wählen wir ein lokales Potential mit einer quasiperiodischen Modulation, so dass das ganze System zu einem Quasikristall wird.Quasikristalle haben keine Translationssymmetrie und sind nicht periodisch, aber dennoch geordnet und deterministisch.Dies führt zu reichen Lokalisierungseigenschaften, wie z.B. fraktalen kritischen Wellenfunktionen, die im Raum zerfallen, aber nicht vollständig lokalisiert sind.Bei Vorhandensein von Wechselwirkungen können quasiperiodische Modelle lokalisierte Phasen mit vielen Körpern enthalten, in denen die Dynamik des Systems selbst bei extrem hohen Temperaturen eingefroren ist.Im ersten Projekt dieses Teils der Arbeit untersuchen wir, wie die kritischen Zustände durch eine Kaskade von bandselektiven Lokalisierungs-/Delokalisierungsübergängen in dem spezifischen, nicht wechselwirkenden quasiperiodischen Modell gebildet werden.In Zusammenarbeit mit der experimentellen Gruppe erklären wir den für die Kaskade verantwortlichen Mechanismus und entdecken ein reichhaltiges Phasendiagramm.Im zweiten Projekt fügen wir die Wechselwirkungen zu demselben quasiperiodischen Modell hinzu und erhalten sein Mehrkörper-Lokalisierungsphasendiagramm.Wir zeigen, dass die Kaskade der Delokalisierungsübergänge, die im nicht interagierenden Fall gefunden wurde, selbst bei schwachen Interaktionen verschwindet.Das Thema des dritten Teils dieser Arbeit ist die Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen Geräten.Obwohl das untersuchte Gerät nicht streng eindimensional ist, zeigen wir, dass die Physik durch ein effektives System von gekoppelten Quantendrähten mit unterschiedlichen Energiedispersionen beschrieben werden kann.Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit den experimentellen Kollegen durchgeführt, wobei wir den Transport durch einen Hohlraum in einem zweidimensionalen Material untersuchen, das durch Band-Inversion und Elektron-Loch-Hybridisierung gekennzeichnet ist.Wir stellen fest, dass die Elektron-Loch-Hybridisierung in band-invertierten Systemen eine kohärente Interferenz bei Transportmessungen ermöglichen kann.In solchen Systemen haben Leitungs-und Volanzbänder die Form eines Sombrero-Hutes, der in Kombination mit einer dominanten Elektron-Loch-Streuung an den Hohlraum-Blei-Grenzflächen parallele eindimensionale Transportkanäle erzeugt.Diese parallelen Transportkanäle haben die gleichen Bedingungen für konstruktive Interferenz, was zu einem nicht verschwindenden Interferenzmuster führt, selbst nach Mittelwertbildung über mehrere Einfallswinkel.Auf diese Weise entdecken wir einen neuen Mechanismus zur Realisierung der Fabry-Pérot-Interferenz in zweidimensionalen mesoskopischen band-invertierten Systemen, der bisher nur in eindimensionalen Geräten, wie z.B. in Nanoröhren, und in zweidimensionalen graphenbasierten Geräten demonstriert wurde.