Осцилляции Ааронова—Бома и распределения равновесных токов в открытой квантовой точке и кольцевом интерферометре

Методом неравновесных функций Грина промоделирован магнитотранспорт в двух субмикронных устройствах, сформированных на основе структур GaAs/AlGaAs. В одночастичном приближении рассмотрено влияние перпендикулярного магнитного поля на квантовый транспорт в квазиодномерной квантовой точке и в интерферометре Ааронова—Бома. Численным расчетом найдены магнитополевые осцилляции двухтерминального контактанса устройств, распределения равновесных (персистентных) токов и магнитный момент, генерируемый в этих устройствах персистентными токами. Прослежены корреляции между магнитным моментом, магнитополевыми осцилляциями кондактанса и резонансами по энергии в заданном магнитном поле. Для квазиодномерной квантовой точки в диапазоне низких магнитных полей (0,05—0,4 Tл) обнаружены более или менее регулярные осцилляции кондактанса, подобные осцилляциям Аронова—Бома. В случае кольцевого интерферометра вклад в полный равновесный ток и магнитный момент при заданной энергии может резко меняться как по величине, так и по знаку при изменении магнитного поля в пределах одной осцилляции Ааронова—Бома. Показано, что кондактанс интерферометра определяется, скорее, не числом распространяющихся в кольце мод, а влиянием треугольных квантовых точек на входах в кольцо, вызывающих сильное отражение. Период вычисленных осцилляций Ааронова—Бома соответствует измеренным для этих устройств.

баллистическая квантовая точка, кольцевой электронный интерферометр, кондактанс, равновесный ток, магнитный момент, осцилляции Ааронова—Бома

1. Bykov A. A., Kvon Z. D., Ol'shanetskii E. B., Litvin L. V., Nastaushev Yu. V., Mansurov V. G., Migal' V. P., Moshchenko S. P., Plyukhin V. G. Quasiballistic electronic interferometer // JETP Letters. 1993. V. 57, Iss. 9. P. 613—616.

2. Persson M., Pettersson J., von Sydow B., Lindelof P. E., Kristensen A., Berggren K. F. Conductance oscillations related to the eigenenergy spectrum of a quantum dot in weak magnetic fields // Phys. Rev. B. 1995. V. 52, Iss. 12. P. 8921—8933. DOI: 10.1103/PhysRevB.52.8921

3. Micolich A. P., See A. M., Scannell B. C., Marlow C. A., Martin T. P., Pilgrim I., Hamilton A. R., Linke H., Taylor R. P. Is it the boundaries or disorder that dominates electron transport in semiconductor ‘billiards’? // Fortschr. Phys. 2013. V. 61, Iss. 2–3. P. 332—347. DOI: 10.1002/prop.201200081

4. Tkachenko O. A., Tkachenko V. A., Kvon Z. D., Latyshev A. V., Aseev A. L. Introscopy of quantum nanoelectronic devices // Nanotechnologies in Russia. 2010. V. 5, N 9–10. P. 676—695. DOI: 10.1134/S1995078010090132

5. Tkachenko V. A., Tkachenko O. A., Kvon Z. D., Latyshev A. V., Aseev A. L. Introscopy in nano- and mesoscopic physics: single electronics and quantum ballistics // Optoelectronics, instrumentation and data processing. 2016. V. 52, N 5. P. 518—528. DOI: 10.3103/S8756699016050149

6. Tkachenko O. A., Tkachenko V. A., Kvon Z. D., Sheglov D. V., Aseev A. L. Modeling of quantum transport and single-electron charging in GaAs/AlGaAs-nanostructures // In: Advances in Semiconductor Nanostructures. Growth, Characterization, Properties and Applications. Ed. by: A. V. Latyshev, A. V. Dvurechenskii, A. L. Aseev. Elsevier, 2017, Ch. 6. P. 131—155. DOI: 10.1016/B978-0-12-810512-2.00006-8

7. Tkachenko O. A., Tkachenko V. A., Baksheev D. G., Kvon Z. D., Portal J. C. Electrostatic potential, energy spectrum, and Fano resonances in a ballistic ring interferometer based on an AlGaAs/GaAs heterojunction // JETP Letters. 2000. V. 71, N 6. P. 255—258. DOI: 10.1134/1.568328

8. Olshanetsky E. B., Cassé M., Kvon Z. D., Gusev G. M., Litvin L. V., Plotnikov A. V., Maude D. K., Portal J. C. Symmetric, gated, ballistic rings as tunable electron interferometers // Physica E. 2000. V. 6, Iss. 1–4. P. 322—326. DOI: 10.1016/S1386-9477(99)00160-5

9. Cassé M., Kvon Z. D., Gusev G. M., Olshanetskii E. B., Litvin L. V., Plotnikov A. V., Maude D. K., Portal J. C. Temperature dependence of the Aharonov-Bohm oscillations and the energy spectrum in a single-mode ballistic ring // Phys. Rev. B. 2000. V. 62, Iss.4. P. 2624—2629. DOI: 10.1103/PhysRevB.62.2624

10. Liang C.-T., Simmons M. Y., Smith C. G., Kim G. H., Ritchie D. A., Pepper M. Experimental evidence for Coulomb charging effects in an open quantum dot at zero magnetic field // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81, Iss. 16. P. 3507—3510. DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.3507

11. Liang C.-T., Simmons M. Y., Smith C. G., Kim G. H., Ritchie D. A., Pepper M. Multilayered gated lateral quantum dot devices // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 76, N 9. P. 1134—1136. DOI: 10.1063/1.125961

12. Baksheyev D. G., Tkachenko O. A., Tkachenko V. A. The role of intersubband mixing in single-electron charging of open quantum dot // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2000. V. 6, Iss. 1–4. P. 414—417. DOI: 10.1016/S1386-9477(99)00204-0

13. Tkachenko O. A., Tkachenko V. A., Baksheyev D. G., Liang C.-T., Simmons M. Y., Smith C. G., Ritchie D. A., Kim Gil-Ho, Pepper M. Coulomb charging effects in an open quantum dot device // J. Phys.: Condens. Matter. 2001. V. 13, N 42. P. 9515—9534. DOI: 10.1088/0953-8984/13/42/312

14. Tkachenko V. A., Tkachenko O. A., Baksheyev D. G., Liang C.-T. Coulomb oscillations of the ballistic conductance in a quasi-one-dimensional quantum dot // JETP Letters. 2001. V. 74, N 4. P. 209—212. DOI: 10.1134/1.1413551

15. Büttiker M., Imry Y., Landauer R. Josephson behavior in small normal one-dimensional rings // Phys. Lett. A. 1983. V. 96, Iss. 7. P. 365—367. DOI: 10.1016/0375-9601(83)90011-7

16. Büttiker M. Small normal-metal loop coupled to an electron reservoir // Phys. Rev. B. 1985. V. 32, Iss. 3. P. 1846—1849. DOI: 10.1103/PhysRevB.32.1846

17. Sivan U., Imry Y. de Haas-van Alphen and Aharonov-Bohm-type persistent current oscillations in singly connected quantum dots // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61, Iss. 8. P. 1001—1004. DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.1001

18. Jayannavar A. M., Deo P. S. Persistent currents and conductance of a metal loop connected to electron reservoirs // Phys. Rev. B. 1994. V. 49, Iss. 19. P. 13685—13690. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.13685

19. Fogler M. M., Levin E. I., Shklovskii B. I. Chemical potential and magnetization of a Coulomb island // Phys. Rev. B. 1994. V. 49, Iss. 19. P. 13767—13775. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.13767

20. Tan W.-C., Inkson J. C. Magnetization, persistent currents, and their relation in quantum rings and dots // Phys. Rev. B. 1999. V. 60, Iss. 8. P. 5625—5635. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.5626

21. Bremme L., Ihn T., Ensslin K. Magnetization of a two-dimensional electron gas and the role of one-dimensional edge currents // Phys. Rev. B. 1999. V. 59, Iss. 11. P. 7305—7307. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.7305

22. Aldea A., Moldoveanu V., Nita M., Manolescu A., Gudmundsson V., Tanatar B. Orbital magnetization of single and double quantum dots in a tight-binding model // Phys. Rev. B. 2003. V. 67, Iss. 3. P. 035324 (10pp). DOI: 10.1103/PhysRevB.67.035324

23. Mailly D., Chapelier C., Benoit A. Experimental observation of persistent currents in a GaAs-AlGaAs single loop // Phys. Rev. Lett. 1993. V. 70, Iss. 13. P. 2020—2023. DOI: 10.1103/PhysRevLett.70.2020

24. Rabaud W., Saminadayar L., Mailly D., Hasselbach K., Benoît A., Etienne B. Persistent Currents in mesoscopic connected rings // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86, Iss. 14. P. 3124—3127. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.3124

25. Schwarz M. P., Grundler D., Wilde M. A., Heyn Ch., Heitmann D. Magnetization of semiconductor quantum dots // J. Appl. Phys. 2002. V. 91, Iss. 10. P. 6875—6877. DOI: 10.1063/1.1450762

26. Schwarz M. P., Wilde M. A., Groth S., Grundler D., Heyn Ch., Heitmann D. Sawtoothlike de Haas–van Alphen oscillations of a two-dimensional electron system // Phys. Rev. B. 2002. V. 65, Iss. 24. P. 245315 (9pp). DOI: 10.1103/PhysRevB.65.245315

27. Usher A., Elliott M. Magnetometry of low-dimensional electron and hole systems //J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 103202 (31pp). DOI: 10.1088/0953-8984/21/10/103202

28. Cresti A., Farchioni R., Grosso G., Parravicini G. P. Keldysh-Green function formalism for current profiles in mesoscopic systems // Phys. Rev. B. 2003. V. 68, Iss. 7. P. 075306 (8pp.). DOI: 10.1103/PhysRevB.68.075306

29. Ткаченко О. А., Ткаченко В. А. Суперкомпьютерное моделирование полупроводниковых квантовых наносистем // Выч. методы и программирование. 2012. Т. 13, Вып. 1. С. 253—262.