Out-of-equilibrium spin transport and correlations in nanoscale structures  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
61726
Type NF
Principal investigator Zaránd, Gergely Attila
Title in Hungarian Nem egyensúlyi spin transzport és korrelációk nanostruktúrákban
Title in English Out-of-equilibrium spin transport and correlations in nanoscale structures
Keywords in Hungarian nanostruktúrák, spin transzport
Keywords in English nanostructures, correlations, spin transport
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Demkó, László
Pascu Moca, Catalin
Szunyogh, László
Udvardi, László
Újfalussy, Balázs
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-01-31
Funding (in million HUF) 30.000
FTE (full time equivalent) 6.89
state closed project
Summary in Hungarian
Az elmúlt évek során lehetővé vált néhány nanométeres eszközök előállítása, melyek esetenként egyetlen molekulából is állhatnak. Ezek a struktúrák egyfelől szinte egészen bizonyosan egy jövőbeli molekuláris elektronikai technológiának az építőkövei és a spin manipuláció ill. esetleges kvantum számítógép alapvető egységei. Másfelől viszont megértésük komoly kihívást jelent az elméleti szilárdtest fizikusok számára, mivel ezekben a kvantumeszközökben erős korrelációk, rendezetlenség és nem egyensúlyi dinamika egyidejűleg vannak jelen. Jelenleg nem áll rendelkezésre olyan elméleti módszer, amely ab initio módszerekre építve képes lenne ezeket az eszközöket kielégítően leírni, az előbb említett effektusokat is figyelembe véve. A pályázat célja egy elméleti csoport létrehozása, mely a molekuláris spintronika tanulmányozását tűzné ki célul, egyesítve kvantum térelméleti és ab initio módszereket. A projektjavaslat elsősorban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen működő csoportokra épít, de fontos eleme a kutatásnak a nyugat-európai és tengerentúli csoportokkal, ill. más magyarországi csoportokkal való intenzív együttműködés is. A csoport olyan új módszereket fejleszt majd ki, melyek lehetővé teszik ezeknek a néhány nanométeres eszközöknek spin- és nem egyensúlyi transzport tulajdonságainak a tanulmányozását/megértését, és remélhetőleg a nem túl távoli jövőben lehetővé teszik ezeknek a molekuláris áramköröknek a tervezését is.
Summary
Recently it has become possible to fabricate and operate in a controlled way devices on the nanometer scale, eventually consisting from single molecules. These structures are not only likely to provide our future technology in molecular electronics and serve as basic tools for spin manipulation and/or quantum computation, but understanding these devices represents a major challenge for today’s theoretical physicists, since electron correlations, non-equilibrium effects and disorder are often simultaneously present in these otherwise quantum mechanical systems. Currently, no method exists which incorporates all these effects but builds upon ab inito methods. Our purpose is to build a theoretical group to study molecular spintronics by unifying and thus exploiting the power of quantum field theoretical methods and ab initio techniques. To achieve this, we shall exploit the expertise of research groups at the Budapest University of Technology and Economics, while integrating our activity with the work of Western European and overseas groups. Our research group will develop new methods that enable one to study and understand spin transport and out of equilibrium transport through these nanometer scale devices, and hopefully even engineer them in the not too far future.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt atomi és mesterséges atomi struktúrák illetve felületek, vékony rétegek vizsgálatát célozta ab initio illetve térelméleti módszerek együttes használatával, különös tekintettel a mágneses tulajdonságokra illetve az idő és spinfüggő nem egyensúlyi transzporttulajdonságokra. Céljaink között szerepelt egyfelől olyan nem egyensúlyi módszerek alkalmazása/fejlesztése és egyszerű rendszerekbeli tesztelése, mely lehetővé teszi korrelált rendszerekben az egyensúlyi és nem egyensúlyi transzport leírását. Kiemelt szerepet kapott egy felxibilis numerikus renormálási csoport kód kifejlesztése, publikálása és alkalmazása, illetve nem egyensúlyi közelítések kidolgozása. Kutatásunk további fontos komponense volt a kvantum dot rendszerek, atom-klaszterek, nanoszemcsék, mágneses szennyezők, dinamikai tulajdonságainak (ac vezetőképesség, zaj spektrum) vizsgálata, illetve vékony rétegek és felületek transzport és mágneses tulajdonságainak elméleti vizsgálata. Különös figyelmet szenteltünk a spin-pálya kölcsönhatás indukálta effektusok, így a felületi mágneses anizotrópia, a spin-pálya kölcsönhatás indukálta spin relaxáció, az anomális Hall effektus és a spin Hall effektus tanulmányozásának. A projekthez kapcsolódóan majd 50 publikáció született, közöttük 9 megjelent Physical Review Letters, és 23 Physical Review B publikáció, két 2 PhD disszertáció, valamint egy nyilvános flexibilis NRG programcsomag a hozzá tartozó dokumentációval [http://www.phy.bme.hu/~dmnrg/].
Results in English
The main goal of this project was to combine ab initio and field theoretical methods to study and understand the properties of atomic clusters, artificial atomic structures and surfaces, with special emphasis on spin- and time-dependent and non-equilibrium transport properties. Among others, we developed theoretical tools which we tested on simple systems, and used to study dynamical and non-equilibrium transport properties of correlated systems. Some of the main technical achievements of this project were the development and application of a flexible open-access numerical renormalization group code, and the elaboration of approximate non-equilibrium methods. Besides the methodological development, our research mainly focused on ac transport properties and noise spectra of quantum dot systems and of clusters of magnetic atoms, and aimed at the characterization of the properties of magnetic impurities and clusters in the vicinity of a surface and in nano-grains. We also studied a wide range of spin-orbit coupling-induced phenomena in systems of reduced dimension such as surface anisotropy, spin-orbit interaction induced spin relaxation, anomalous and spin Hall effects, and magnetic states. Close to 50 publications emerged as a result of this project, including 2 PhD dissertations, 9 Physical Review Letters, and 23 Physical Review B papers, an open access computer package with complete documentation [http://www.phy.bme.hu/~dmnrg/].
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=61726
Decision
Yes





 

List of publications

  
Szunyogh L, Zarand G, Gallego S, et al: Effect of spin-orbit interaction on a magnetic impurity in the vicinity of a surface, Phys. Rev. Lett. 96, 067204, 2006
Zarand G, Chung CH, Simon P, and M. Vojta: Quantum criticality in a double-quantum-dot system, Phys. Rev. Lett. 97, 166802, 2006
San-Jose P, Zarand G, Shnirman A, Schoen G: Geometrical spin dephasing in quantum dots, Phys. Rev. Lett. 97, 076803, 2006
Kaul RK, Zarand G, Chandrasekharan S, et al: Spectroscopy of the Kondo problem in a box, Phys. Rev. Lett. 96, 176802, 2006
Rapp A, Zarand G: Dynamical correlations and quantum phase transition in the quantum Potts model, Phys. Rev. B 74, 014433, 2006
Ö. Legeza, F. Gebhard, J. Rissler: Entanglement production by independent quantum channels, Phys. Rev B74, 195112, 2006
Zarand G: Orbital fluctuations and strong correlations in quantum dots, Phil. Mag. 86, 2043-2072, 2006
C. P. Moca, D. C. Marinescu: Finite-size Effects in a Two-Dimensional Electron Gas with Rashba, Spin-Orbit Interaction, Phys. Rev. B 75, 035325, 2006
O. Újsághy, L. Szunyogh, A. Zawadowski: Revised theory of the magnetic surface anisotropy of impurities in metallic mesoscopic samples, Phys. Rev. B75, 064425, 2007
A.I. Toth, L. Borda, J. von Delft, G. Zarand: Dynamical conductance in the two-channel Kondo regime of a double dot system, Phys. Rev. B 76, 155318, 2007
Ákos Rapp, Gergely Zaránd, Carsten Honerkamp, Walter Hofstetter: Color Superfluidity and “Baryon” Formation in Ultracold Fermions, Phys. Rev. Lett. 98, 160405, 2007
P. San-Jose, G. Schon, A. Shnirman, G. Zarand: Spin dephasing due to a random Berry phase (review), Physica E 40, 76, 2007
G. Zarand and Borda: Inelastic scattering from quantum impurities, Physica E 40, 5, 2007
L. Borda, L. Fritz, N. Andrei, and G. Zaránd: Theory of inelastic scattering from quantum impurities, Phys. Rev. B 75, 235112, 2007
C. Etz, B. Lazarovits, J. Zabloudil, R. Hammerling, B. Újfalussy, L. Szunyogh, G. M. Stocks, and P. Weinberger: Magnetic properties of FeCo nanoclusters on Cu(100): Ab initio calculations, Phys. Rev. B 75, 245432, 2007
Á. Buruzs, L. Szunyogh, L. Udvardi, P. Weinberger, and J.B. Staunton: Temperature dependent magneto-crystalline anisotropy of thin films: A relativistic disordered local moment approach, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 316, e371, 2007
Á. Buruzs, P. Weinberger, L. Szunyogh, L. Udvardi, P. I. Chleboun, A. M. Fischer, and J.B. Staunton: Ab initio theory of temperature dependence of magnetic anisotropy in layered systems: Applications to thin Co films on Cu(100), Phys. Rev. B 76, 064417, 2007
Ö. Legeza, R. M. Noack, J. Sólyom, and L. Tincani: Applications of Qunatum Information in the Density-Matrix Renormalization Group, Lect. Notes Phys. 739, 653-664 (2008), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008
Ö. Legeza, J. Sólyom, L. Tincani, and R. M. Noack: Entropic Analysis of Quantum Phase Transitions from Uniform to Spatially Inhomogeneous Phases, Phys. Rev. Lett. 99, 087203, 2007
K. Buchta, Ö. Legeza, E. Szirmai, and J. Sólyom: Mott transition and dimerization in the one-dimensional SU(n) Hubbard model, Phys. Rev. B 75, 155108 (2007), 2007
C. P. Moca, D. C. Marinescu: Spin-Hall conductivity of a spin-polarized two-dimensional electron gas with Rashba spin-orbit interaction and magnetic impurities, New Journal of Physics 9, 343, 2007
L. Udvardi, A. Antal, L. Szunyogh, A. Buruzs, and P. Weinberger: Magnetic pattern formation on the nanoscale due to relativistic exchange interactions, Physica B 403, 402-404 (2008), 2008
A. Antal, B. Lazarovits, L. Udvardi, L. Szunyogh, B. Ujfalussy, and P. Weinberger: First principles calculation of spin-interactions and magnetic ground states of Cr trimers on Au(111), Physical Review B 77, 174429 (2008), 2008
Farid el Gabaly, Kevin F. McCarty, Andreas K. Schmid, Juan de la Figuera, M. Carmen Munoz, Laszlo Szunyogh, Peter Weinberger, and Silvia Gallego: Noble metal capping effects on the spin-reorientation transitions of Co/Ru(0001), New Journal Physics 10, 073024 (2008), 2008
A. Szilva, S. Gallego, and M. C. Munoz, B.L. Gyorffy, G. Zarand, and L. Szunyogh: Friedel oscillations induced surface magnetic anisotropy, Physical Review B 78, 195418 (2008), 2008
S. Gallego, M. C. Munoz, L. Szunyogh, and P. Weinberger,: Band filling effects in the magnetic anisotropy of atomic thin layers of Co, Philosophical Magazine B 88, 2655-2665 (2008), 2008
A. Antal, B. Lazarovits, L. Balogh, L. Udvardi, and L. Szunyogh: Multiscale studies of complex magnetism of nanostructures based on first principles, Philosophical Magazine B 88, 2715-2724 (2008), 2008
A. Szilva, L. Szunyogh, G. Zarand, S. Gallego, and M. C. Munoz: Surface-induced magnetic anisotropy of impurities, IEEE Transactions on Magnetics 44, 2772 (2008), 2008
Toth, AI; Moca, CP; Legeza, O; Zarand, G: Density matrix numerical renormalization group for non-Abelian symmetries, Phys. Rev. B 78, 245109, 2008
Toth, AI; Zarand, G: Dynamical correlations in the spin-half two-channel Kondo model, Phys. Rev. B 78, 165130, 2008
Nunner, TS; Zarand, G; von Oppen, F: Anomalous Hall effect in a two dimensional electron gas with magnetic impurities, Phys. Rev. Lett. 100, 236602, 2008
Moca, CP; Demler, E; Janko, B, and Zarand, G: Spin-resolved spectra of Shiba multiplets from Mn impurities in MgB2, Phys. Rev. B 77, 174516, 2008
Rapp, A; Hofstetter, W; Zarand, G: Trionic phase of ultracold fermions in an optical lattice: A variational study, Phys. Rev. B 77 , 144520, 2008
Horvath, B; Lazarovits, B; Sauret, O; Zarand, G: Failure of the mean-field approach in the out-of-equilibrium Anderson model, Phys. Rev. B 77, 113108 2008, 2008
Chung, CH; Zarand, G; Wolfle, P: Two-stage Kondo effect in side-coupled quantum dots: Renormalized perturbative scaling theory and numerical renormalization group analysis, Phys. Rev. B 77, 035120 2008, 2008
San-Jose, P; Scharfenberger, B; Schon, G; G. Zaránd: Geometric phases in semiconductor spin qubits: Manipulations and decoherence, Phys. Rev. B 77, 045305, 2008
O. Legeza, C. P. Moca, A. I. Toth, I. Weymann, G. Zarand: Manual for the Flexible DM-NRG code, Los Alamos arXiv:0809.3143 (89 pages), 2008
O. Legeza, C. P. Moca, A. I. Toth, I. Weymann, G. Zarand: Open Access Flexible DM-NRG code, http://www.phy.bme.hu/~dmnrg/, 2008
A. Rapp: Quantum Phase Transitions in Correlated Systems, http://dept.phy.bme.hu/phd/dissertations_hu.htm, 2008
Kim EH, Legeza O, Solyom J: Topological Order, Dimerization, and Spinon Deconfinement in Frustrated Spin Ladders, Phys. Rev. B 77, 205121, 2008
Szirmai E, Legeza O, Solyom J: Spatially nonuniform phases in the one-dimensional SU(n) Hubbard model for commensurate fillings, Phys. Rev. B 77, 045106, 2008
L. Szunyogh, B.Lazarovits, L. Udvardi, J. Jackson, and U. Nowak: Giant magnetic anisotropy of the bulk antiferromagnets IrMn and IrMn3 from first principles, Phys. Rev. B 79, 020403, 2009
L.Udvardi and L. Szunyogh: Chiral asymmetry of the spin-wave spectra in ultrathin magnetic films, Phys. Rev. Lett. 102, 207204, 2009
Ribhu K. Kaul, Denis Ullmo, Gergely Zaránd, Shailesh Chandrasekharan, and Harold U. Baranger: Ground state and excitations of quantum dots with magnetic impurities, Phys. Rev. B 80, 035318, 2009
Valentina Brosco, Markus Jerger, Pablo San-Jose, Gergely Zarand, Alexander Shnirman, Gerd Schön: Resonant all-electric spin pumping with spin-orbit coupling, submitted to the Physical Review Letters, arXiv:0912.1096, 2009
B. Horvath, B. Lazarovits, G. Zarand: Perturbative theory of the non-equilibrium singlet-triplet transition, közlésre elfogadva, Journal of Physics: Condensed Matter, arXiv:0909.0441, 2009
C. P. Moca, I. Weymann, G. Zarand: Frequency-Dependent Spin Current Noise through Correlated Quantum Dots, submitted to the Physical Review Letters, arXiv:0907.0475, 2009
C. P. Moca, B. L. Sheu, N. Samarth, P. Schiffer, B. Janko, G. Zarand: Scaling analysis of the magnetoresistance in GaMnAs, Phys. Rev. Lett. 102, 137203, 2009
A.I Tóth: Numerical Renormalization Group Study of the Two-Channel Kondo Model, BME TTK Fizika Doktori Iskola, 2009



Back »