Quantum transport through single-molecule devices: spin and vibration

Abstract

Over the past few years the emerging field of molecular electronics has stimulated the interest in understanding the physics of single-molecule transistors. Not only is this a result of promising technological applications, it has also been shown that the presence of specific internal molecular degrees of freedom leads to numerous novel quantum transport phenomena that go beyond the physics observed in larger nanostructural objects such as quantum dots or carbon nanotubes. In the present work we investigate the coupling of electronic degrees of freedom to (i) vibrations, (ii) spins, and (iii) chemical conformations in transport through molecular junctions. Transport through magnetic molecules is discussed in relation to molecular spintronics, i.e. the idea of integrating the concepts of molecular electronics and spintronics. An essential requirement for spintronics devices is the ability to control and detect the spin. In this context, we find that magnetic anisotropy is crucial for slow spin relaxation. The spin moment transmitted from one lead of the molecular junction to the other depends strongly on the orientation of the molecular spin and can be much larger than the initial molecular spin itself. This effect of giant spin amplification allows one to effectively read out the spin information. Current-induced spin writing requires a molecular junction that consists of one ferromagnetic and one nonmagnetic lead. Furthermore, the proposed setup leads to various other interesting effects, including the occurrence a new spin blockade mechanism. The interplay of magnetic and vibrational degrees of freedom is investigated in transport through vibrating single-molecule transistors in the Kondo regime. We find that the dependence of the Kondo temperature on the gate voltage is much weaker than in conventional nanostructures in the regime of strong electron-phonon coupling. Moreover, the Coulomb blockade is strongly asymmetric about the charge degeneracy points, in accordance with recent experiments. The main requirement for an electric circuit in nanoscale dimensions is a molecular device that can be switched between two distinct conductive states. Because of intrinsic bistabilities many single-molecule junctions reveal current-induced switching behavior, e.g. involving cis and trans isomers of a molecule. We study this process for molecules which exhibit two (meta)stable conformations in the neutral state, but only a single stable conformation in the ionic state. Our main focus of interest is the regime of strongly asymmetric couplings to the leads, corresponding to the experimental setup of a scanning tunneling microscope. We show that the transport dynamics can be described by a set of Fokker-Planck equations for the Wigner distribution function of the molecule. The average number of switching events per time can be extremely small compared to the average electronic tunneling rate which is determined by the current. In other words, the time that the molecule spends in one of the two conformations is very long compared to the average time between subsequent tunneling events.

Im Zuge des vorherrschenden Optimismus im jungen Forschungsgebiet der Molekularen Elektronik hat die Untersuchung des elektronischen Transports durch einzelne Moleküle während der letzten Jahre besondere Beachtung erfahren. Dies ist nicht nur die Folge vielversprechender technologischer Anwendungen. Auch hat sich gezeigt, dass die Anwesenheit spezifischer molekularer Freiheitsgrade zu neuartigen Quantentransportphänomenen führt, deren Beschreibung über die in größeren Nanostrukturen zu beobachtende Physik hinausgeht. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Kopplung zwischen elektronischen Freiheitsgraden und (i) Schwingungsfreiheitsgraden, (ii) Spins, (iii) Konformationsfreiheitsgraden im Transport durch Einzelmolekültransistoren. Der Transport durch magnetische Moleküle wird mit Bezug auf molekulare Spintronik diskutiert, der Idee Konzepte molekularer Elektronik und Spintronik mit einander zu kombinieren. Eine der Hauptvoraussetzungen für Spintronik-Bauelemente stellt die Fähigkeit der Manipulation und Detektion von Spins dar. Magnetische Anisotropie begünstigt langsame Spinrelaxation. Die Spinmenge, die von einer Zuleitung des Einzelmolekültransistors zur anderen transmittiert wird, hängt stark von der Orientierung des anfänglichen molekularen Spins ab und kann sehr viel größer als dieser werden. Dieser Effekt der Spinverstärkung gestattet es effektiv Spininformationen auszulesen. Andererseits erfordert das strom-induzierte Schreiben des Spins einen Aufbau, der aus einer ferromagnetischen und einer nicht-magnetischen Zuleitung besteht. Darüberhinaus führt der vorgeschlagene Aufbau zu weiteren interessanten Effekten wie einem neuartigen Spinblockade- Mechanismus. Das Wechselspiel zwischen magnetischen Freiheitsgraden und Vibrationsfreiheitsgraden untersuchen wir im Transport durch schwingende Einzelmoleküle im Kondo-Regime. Wir finden, dass die Abhängigkeit der Kondo- Temperatur von der Gate-Spannung für starke Elektron-Phonon-Kopplung sehr viel schwächer ist als in Quantenpunkten. Außerdem ist die Coulombblockade stark asymmetrisch in der Nähe der sogenannten Entartungspunkte in der differentiellen Leitfähigkeit, in Übereinstimmung mit Messungen an organischen Molekülkomplexen. Die Hauptvoraussetzung für einen elektrischen Schaltkreis auf der Nanoskala sind molekulare Bauelemente, die sich zwischen zwei Zuständen mit deutlich unterschiedlichen Leitwerten hin- und herschalten lassen. Aufgrund intrinsischer Bistabilität zeigen viele Einzelmolekültransistoren strom-induziertes Schaltverhalten, welches beispielsweise die cis- und trans-Zustände eines Moleküls betrifft. Wir untersuchen diesen Prozess für Moleküle, die zwei (meta)stabile Konformationen im neutralen Zustand aufweisen, aber nur eine stabile Konformation im ionischen Zustand. Die Schaltdynamik lässt sich durch Fokker-Planck- Gleichungen für die Wigner-Funktion des Moleküls beschreiben. Die mittlere Anzahl von Schaltereignissen pro Zeit kann extrem klein gegenüber der mittleren elektronischen Tunnelzeit werden, d.h. die Zeit, welche das Molekül in einer der beiden Konformationen verbringt, ist sehr lang gegenüber der Zeit zwischen zwei Tunnelereignissen.