Publicação: Reentrant Kondo effect in a quantum impurity coupled to a metal-semiconductor hybrid contact
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
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Vernek, Edson
Resumo
Nesse trabalho, estudandos a física de uma impureza magnética acoplada a várias bandas
de condução (banda metálica, pseud-gap e semicondutora). Porém, o foco principal do trabalho
é explicar o comportamento de um sistema constituido por uma impureza quântica,
fortemente acoplada a um semicondutor (com gap 2 ) e fracamente acoplada a um contato
metálico. Usando Rernoamlização de Grupo Numérica (NRG) e poor man’s scaling no
Modelo de Anderson, mostramos que para esse sistema (impureza+metal+semicondutor),
exibe um estágio repetição do efeito Kondo à medida que diminui gradualmente a temperatura.
A análise do correspondente Modelo de Anderson de uma única impureza (SIAM),
através das propriedades termodinâmicas e espectrais da impureza, mostra que o estágio de
repetição é caracterizado por uma segunda sequência de pontos fixos SIAM, Orbital Livre
(FO) ! Momento Local (LM) ! acoplamento forte (SC). No estágio de temperatura mais
alta, o ponto fixo SC (com uma temperatura Kondo TK1) é instável, enquanto o segundo
Kondo tem uma temperatura Kondo TK2 muito mais baixa, associada a um ponto fixo SC
estável . Os resultados sugerem claramente que a repetição está associada a um SIAM
efetivo, com um pico de Hubbard Ueff, cujo valor é claramente identificável na densidade
de estados local da impureza.Esse SIAM efetivo para baixa temperatura, que chamamos
de repetição do SIAM, se comporta como uma réplica do SIAM de alta temperatura. O
fluxo RG do segundo estágio (obtido através do NRG), cujo ponto fixo FO emerge por
T < TK1, assume o controle assim que o RG flui para longe do ponto fixo SC instável
do primeiro estágio. A imagem intuitiva que emerge de nossa análise é que o primeiro estado
de Kondo se desenvolve por meio da blindagem da impureza por elétrons semicondutores,
enquanto o segundo estágio envolve a blindagem por elétrons metálicos, uma vez que os
elétrons semicondutores estão fora do alcance das excitações térmicas (T < ) e apenas
os elétrons metálicos, dentro do gap estão disponíveis para a blindagem da impureza. Para
todos os intervalos de parâmetros analisados, através do NRG encontramos TK2 TK1.
Por último, nós analizamos um sistema hibrido formado por uma impureza ‘imprensada’
entre uma nanofita de grafeno armchair (AGNR) e um microscópio de tunelamento de
varredura (STM). Nesse sistema, a energia do gap (2 ) pode ser externamente alterada por
um campo elétrinco induzido por interação spin-orbita Rashba. Analizamos esse sistema
para parâmetros realísticos, usando NRG, e concluimos que a repetição do SIAM, e o
segundo estágio Kondo, pode ser investigado experimentalmente.
Abstract
In this work, we study the physics of a magnetic impurity coupled to several conduction
band structures (metallic band, pseudo-gap systems and semiconductors with finite gap).
However, the main focus is to explain the behavior of a system comprising a quantum
impurity, strongly coupled to a semiconductor (with gap 2 ) and weakly coupled to a metal.
Using the Numerical Renormalization Group (NRG) and Anderson’s poor man’s scaling, we
show that this system (Impurity+metal-semiconductor hybrid contact), displays a reentrant
Kondo stage as one gradually lowers the temperature. The analysis of the corresponding
Single Impurity Anderson Model (SIAM), through the impurity’s thermodynamic and
spectral properties, shows that the reentrant stage is characterized by a second sequence
of SIAM fixed points, viz., free orbital (FO) ! local moment (LM) ! strong coupling
(SC). In the higher temperature stage, the SC fixed point (with a Kondo temperature TK1)
is unstable, while in the lower temperature, the Kondo screening exhibits a much lower
Kondo temperature TK2, associated to a stable SC fixed point. The results clearly suggest
that the reentrant Kondo screening is associated to an effective SIAM, with an effective
Hubbard Ueff, whose value is clearly identifiable in the impurity’s local density of states.
This reentrant SIAM, or effective SIAM, at temperatures below the gap, behaves as a
replica of the high temperature SIAM. We show this in our results, and more specifically,
in the NRG flow diagram (obtained through NRG). The second stage RG flow, whose FO
fixed point emerges for T < TK1, takes over once the RG flows away from the unstable
first stage SC fixed point. The intuitive picture that emerges from our analysis is that the
first Kondo state develops through impurity screening by semiconducting electrons, while
the second stage involves screening by metallic electrons, once the semiconducting electrons
are out of reach to thermal excitations (T < ) and only the metallic (low) spectral weight
inside the gap is available for impurity screening. For all parameter ranges analyzed, we
find through the NRG results that TK2 TK1. Last, we analyze a hybrid system formed
by a quantum impurity ‘sandwiched’ between an armchair graphene nanoribbon (AGNR)
and a scanning tunneling microscope (STM). In this system, the energy gap (2 ) can be
externally tuned by an electric-field-induced Rashba spin-orbit interaction. We analyzed
this system for realistic parameter values, using NRG, and concluded that the reentrant
SIAM, and the second stage Kondo, is worthy of experimental investigation.
Palavras-chave
Kondo Temperature, Critical Coupling, Reentrant Kondo, Reentrant SIAM, Armchair graphene nanoribbon, Temperatura Kondo, Acoplamento Crítico, Repetição do Kondo, Repetição do SIAM, Nanofita de grafeno armchair
Citação
SILVA, Gustavo Diniz. Reentrant Kondo effect in a quantum impurity coupled to a metal-semiconductor hybrid contact. 2020. 71 f. Dissertação (Mestrado em Física) – Universidade federal de Uberlândia. Uberlândia. 2020. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.3609.
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