Kurzfassung
In dieser Arbeit wird das Zusammenspiel von vibronischen Freiheitsgraden und spin-polarisiertem Ladungstransport auf der Nanoskala, induziert durch ferromagnetische Zuleitungen, untersucht. Die Dynamik von zwei verschiedenen Systemen wird bestimmt durch die Lösung der Redfield Master Gleichung für die Zeitentwicklung der reduzierten Dichtematrix im sequentiellen Tunnellimit.
Das erste System ist ein Model für einen Machbarkeitsnachweis eines dynamischen Kühlmechanismus auf der Nanoskala, der magnetomechanische Wechselwirkungen benutzt, um die vibronische Energie einer einzelnen Phononenmode zu reduzieren. Das Modell besteht aus einem magnetischen Quantenpunkt, der an ein Paar von ferromagnetischen Zuleitungen gekoppelt ist. Durch die Nutzung von spin-polarisierten Strömen ist es möglich, die lokale Magnetisierung des Quantenpunktes zu polarisieren. Magnetomechanische Wechselwirkungen resultieren dann in einem Austausch von Energie zwischen den magnetischen und vibronischen Freiheitsgraden und dadurch in einer Abnahme der vibronischen Energie. Das Modell wird mit aktuellen Experimenten verglichen, um seine Realisierbarkeit zu überprüfen. Der grundlegende Mechanismus des Kühlprotokolls wird diskutiert und eine sinnvolle Präparation des Aufbaus wird gefunden. Die Spin- und Phononendynamik des Systems wird für drei verschiedene Konfigurationen der Polarisierungsrichtungen der ferromagnetischen Zuleitungen analysiert. Durch die Akkumulation von Spins auf dem Quantenpunkt stellt sich die anti-parallele Ausrichtung der Polarisierungen der beiden Zuleitungen als optimale Konfiguration für das Kühlen heraus. Ein Gesamtkühleffekt der vibronischen Freiheitsgrade wird für einen großen Parameterbereich gefunden. Dieser Kühleffekt hat ein Maximum als Funktion der magnetomechanischen Kopplung. Dies bedeutet, dass Kühlung nicht nur für starke magnetomechanische Wechselwirkungen möglich ist.
Das zweite System besteht aus einem Anderson-Holstein Modell gekoppelt an ferromagnetische Zuleitungen. Die differentielle Leitfähigkeit wird als Funktion der Spannung ermittelt. Das Ziel dieser Untersuchung ist die Erklärung experimenteller Messungen für die Leitfähigkeit von Cobalt-Phthalocyanine am Rastertunnelmikroskop. Die numerischen Ergebnisse für die Leitfähigkeit im Theorie-Modell spiegeln die Hauptstrukturen der experimentellen Daten wider. Es wird eine starke Übereinstimmung für die Positionen der Spitzen in der differentiellen Leitfähigkeit gefunden. Unterschiede zwischen der Theorie und dem Experiment treten auf, wenn die Polarisierung der Spitze des Rastertunnelmikroskops umgekehrt wird. Die im Experiment beobachteten Änderungen der Höhe und Position der Leitfähigkeitshöchstwerte erscheinen nicht in der numerischen Berechnung. Diese Effekte werden auf das Austauschfeld, welches von den ferromagnetischen Zuleitungen induziert wird, zurückgeführt. Aufgrund der Beschränkung der numerischen Methode auf schwache System-Bad Kopplungen ist es nicht möglich, einen direkten Vergleich für den Einfluss des Austauschfeldes zwischen Theorie und Experiment anzustellen. Im letzten Teil dieser Arbeit werden die Effekte von Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsvibrationen auf die Transporteigenschaften des zweiten Systems untersucht. Ein direkter Vergleich zeigt, dass eine Nichtgleichgewichtsverteilung der Phononenmode nur für starke Spannungen zu einem qualitativen Unterschied in den Transporteigenschaften führt.
In this work, the interplay between vibrational degrees of freedom and spin-polarized charge transport on the nanoscale, induced by ferromagnetic charge reservoirs, is investigated. The dynamics of two different systems is determined by numerically solving the Redfield master equation for the time-evolution of the reduced density matrix in the sequential tunneling limit. The first system is a proof-of-principle model for a dynamical cooling setup on the nanoscale utilizing magnetomechanical interactions to reduce the vibrational energy of a single phonon mode. The setup consists of a magnetic quantum dot tunnel-coupled to a pair of ferromagnetic leads. Using spin-polarized currents, it is possible to polarize the local magnetic moment of the quantum dot. Magnetomechanical interactions then lead to an exchange of energy between the magnetic and vibrational degrees of freedom, resulting in a decrease of the vibrational energy. The model is compared to recent experiments to analyze its feasibility. The principle mechanism of the cooling protocol is discussed and a meaningful initial preparation of the setup is found. The spin and phonon dynamics of the system are analyzed for three different setups of the lead polarization directions. An anti-parallel alignment of the source and drain lead polarizations is identified as the optimal cooling setup due to an accumulation of spin on the quantum dot. For a wide range of parameters a net cooling effect of the vibrational mode is reported. A maximum of the cooling effect is found as a function of the magnetomechanical coupling. This implies that cooling can be achieved not only for strong magnetomechanical interactions. The second system is an Anderson-Holstein model coupled to ferromagnetic leads. Here, the differential conductance is determined as a function of the applied bias voltage. The aim of this investigation is to explain experimental observations of the conductance of a Cobalt-Phthalocyanine molecule in a scanning tunneling microscopy setup. The numerical calculation of the conductance for the theory model is able to resolve the main structure of the experimental data. A strong agreement is found for the position of the conductance peaks with respect to the bias voltage. Discrepancies between the theory and the experiment appear when the polarization of the microscope tip is reversed. The change in peak intensities and positions observed in the experiment is not recovered by a numerical calculation. These effects are assumed to originate from the magnetic exchange field induced by the ferromagnetic leads. Due to the numerical restriction to the sequential tunneling and, therefore, to weak system-lead couplings, a direct comparison of the influence of the exchange field between the experiment and the theory model is not possible. In the last part of the thesis the effects of non-equilibrium and equilibrium vibrations on the transport properties of the second system are evaluated. A direct comparison shows that non-equilibrium distribution of the phonon mode leads to a qualitative change in the transport dynamics only in the strong bias regime.