Материал: Валеев Введение в физику мезоскопических систем 2012

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Вывод формулы Ландауэра

втеории линейного отклика

Вгл. 1 был дан простой вывод формулы Ландауэра для кондактанса квазиодномерного проводника в двухтерминальной геометрии (см. рис. 16, 18). Здесь, следуя [71], мы получим аналогичное соотношение более строго и в более общем случае, когда неупорядоченная область соединяет произвольное число N идеальных полуограниченных проводников (как, например, на рис. П1, где N = 4).

Рис. П1. Четырехконтактная мезоскопическая система с идеальными проводниками 1,…, 4. Рассеяние электронов происходит только в неупорядоченной области (заштрихована).

Cn – сечение nго проводника, yn – координаты точек в этом сечении, xn – координата вдоль нормали к поверхности Cn, внешней по отношению к неупорядоченной области

Для этого сначала воспользуемся стандартной процедурой теории линейного отклика и выведем формулу Кубо (т.е. – соотношение Кубо–Гринвуда для системы невзаимодействующих электронов) для локального тензора проводимости σˆ (r , r) – тензора, ко-

торый связывает плотность тока в системе j(r) с локальным зна-

чением вектора напряженности электрического поля E(r) :

j(r ) = d 3r σˆ (r ,r)E(r ).

(П2.1)

Кроме локального тензора σˆ (r , r), имеет смысл рассмотреть

так называемый макроскопический тензор проводимости σˆ

– ве-

личину, которая связывает усредненную по пространственным пе-

ременным плотность тока

j = Ω1 d d r j (r ) (где d – размерность

пространства, а Ω →∞

объем области усреднения) с усреднен-

ной в пространстве напряженностью электрического поля, которую

146

в задаче о статической проводимости можно считать константой. Соответственно,

σˆ = Ω1 d d rd d r′ σˆ (r ,r).

(П2.1.1)

Это определение понадобится нам в дальнейшем.

Важно подчеркнуть, что перенос заряда в мезоскопических системах является фазовокогерентным на расстояниях порядка длины дифейзинга Lφ l, которая сравнима с размерами всей системы:

Lφ L ; естественно, что именно масштаб Lφ определяет размер области нелокальности функции σˆ (r , r) в соотношении (П2.1). Однако на практике тензор σˆ (r , r), зависящий от координат, не

представляет большого интереса. Более полезно знать интегральную характеристику проводящих свойств системы – ее кондактанс G, поскольку как раз эту величину позволяет определить эксперимент: если асимптотические значения потенциалов Vn проводников вдали от области рассеяния неодинаковы, ток Im в m-ом контакте дается глобальной формой закона Ома:

N

 

Im = GmnVn ,

(П2.2)

n=1

Пусть рассматриваемая система находится под действием слабого зависящего от времени внешнего электрического поля с на-

пряженностью E(r, t) = − V (r, t), где V (r, t) – соответствующий скалярный потенциал, который для простоты выбирается в виде

V (r, t) =V (r) e-δ

 

t

 

cos(ωt), δ→+0.

(П2.3)

 

 

 

 

Здесь параметр δ характеризует темп включения и выключения возмущения. Важно, что в статическом случае предел ω → 0 следует искать при конечном δ, и лишь затем устремить δ к нулю.

Будем считать, что потенциал V (r) быстро достигает постоян-

ных значений при стремлении координаты от неупорядоченной области вглубь каждого из присоединенных к ней полуограниченных идеальных проводников, так что электрическое поле сосредоточено только в самой неупорядоченной области, где имеет место рассеяние электронов. Поскольку спектр неограниченной системы

147

ˆ

(0)

не-

непрерывный, собственные значения {εα} гамильтониана H

 

возмущенного перехода можно занумеровать непрерывной переменной α, а условия ортогональности и полноты, которым удовлетворяет ортонормированная система его собственных функций – состояний рассеяния {ψα (r )} , имеют вид

d 3r ψα(r)ψβ(r)= δ(α −β), dαψα(r) ψα(r)= δ(r r).

Плотность тока в проводнике определим из формулы

ˆ ˆ

(r )},

(П2.4)

j(r , t) = Tr{ρ j

где ρˆ – матрица плотности системы, удовлетворяющая уравнению

фон Неймана

 

 

 

t ρˆ = Hˆ (t ),ρˆ

 

 

 

 

 

 

i

 

 

(П2.5)

с гамильтонианом

 

ˆ

ˆ

(0)

eV (r,t)) ,

ˆ

 

 

 

H

(t) = H

 

j(r ) – оператор плот-

ности тока, матричные элементы которого имеют вид

 

 

 

ie

 

ˆ

 

ˆ

 

 

jαβ (r ) =

 

2m

ψα (r )Dψβ (r ) −ψα (r )D

ψβ (r ) .

(П2.6)

ˆ

(ie

c) A(r ) оператор ковариантного

(т.е. ка-

Здесь D = +

либровочно-инвариантного) дифференцирования.

Для того чтобы вычислить ток в первом неисчезающем приближении по внешнему полю, следует линеаризовать уравнение фон Неймана вблизи равновесного решения:

 

 

 

 

 

 

 

 

ρˆ (0)

= dαf (εα )

 

α α

 

,

ρˆ ˆ(0) ˆ(1) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где f(ε) – фермиевская функция. Записывая

для по-

правки первого порядка по полю получим

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

ρˆ

(1)

 

ˆ

(0)

,ρˆ

(1)

 

+

eV (r ,t)

,ρˆ

(0)

.

(П2.7)

 

 

 

 

 

 

= H

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переходя в (П2.7) к представлению состояний рассеяния, в

удобных

обозначениях

 

 

εαβ = εα −εβ ,

 

 

fαβ = f (εα ) f (εβ ),

Vαβ = α

 

V (r )

 

β , получим:

 

e fβαVαβ cos(ωt)e

− δ

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ(1)

 

 

ˆ(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i tραβ = −εαβ

ραβ

 

 

 

 

.

(П2.8)

148

Решение этого уравнения, удовлетворяющее начальному условию ρˆ(1) 0 при t , а при t < 0 имеет вид

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

iωt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρˆ αβ(1) (t < 0)=

fβαVαβeδ t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

(ω→ −ω) .

(П2.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω+i

δ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εβα

 

 

 

 

 

 

 

Соответственно, для плотности тока в системе в линейном при-

ближении по внешнему полю можно написать

 

 

)

βα (

)

 

j(r,t)= Tr{ρˆ

 

(

t

)

j

(

)

 

dα

dβρ

αβ (

t

(П2.10)

 

 

 

(1)

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

Для дальнейшего расчета обратимся к уравнению непрерывности

 

 

 

 

 

t (

 

 

 

 

ˆ

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

enˆ) + j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переходя в нем к представлению состояний рассеяния, получим соотношение между матричными элементами операторов плотности электронов и плотности тока:

ie

εβαψα (r )ψβ (r )= jαβ (r ).

(П2.11)

 

Интегрируя это соотношение по частям, можно выразить матричные элементы Vαβ оператора внешнего возмущения через век-

тор напряженности электрического поля:

eVαβ = d 3r ψα (r )V (r )ψβ (r )=

i

d 3r jαβ (r )E(r ).

(П 2.12)

εβα

Из (П 2.9)–(П 2.12) найдем для плотности тока выражение вида j (r , t) = jω (r ) cos (ωt ), где амплитуда

jω(r ) =

 

∫∫dαdβ

fβα

jβα (r )d 3rjαβ (r)

2

 

 

 

 

εβα

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

+(ω→ −ω) .

 

εβα

ω+ i δ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E(r) ×

(П2.13)

Наконец, переходя в (П 2.13) к пределу ω → 0, получим формулу Кубо для нелокального тензора проводимости:

 

 

 

 

i

 

f

βα

 

P

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

),

dαdβ f

 

 

 

 

 

 

 

σ(r ,r ) = −π

(εα ) δ(εβα ) +

π εβα

 

 

jβα (r ) jαβ (r

 

 

 

 

 

εβα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(П 2.14)

149

где f ′ ≡∂f ∂ε, знак P предполагает интегрирование в смысле главного значения, а символом обозначено тензорное произведение двух векторов (если a = aαeα ,..., объект a b есть тензор второго ранга с компонентами aαbβ ).

Для вещественной части σˆ(r,r) из (П 2.13) можно также напи-

сать:

 

 

 

 

 

Reσˆ(r,r,ω→ 0) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. (П2.14.1)

= h

dαdβ δ

(

ε

α

−ε

δ

ε

β

−ε

α

− ω

)

j

r

)

j

αβ (

r

 

 

 

 

F ) (

 

 

 

βα (

 

 

)

 

Поскольку в отсутствии магнитного поля при εα = εβ мы имеемjαβ (x) = 0 (см. (П2.6)), а нормальная компонента тензора проводимости – вектор σˆ (r , r) er(здесь er= r r– орт направления

радиус-вектора r) – должна обращаться в нуль на всех непроводящих границах, интергрирование по частям в (П 2.1) позволяет выразить плотности тока через асимптотические значения потенциалов в проводниках, Vn, и потоки тензора проводимости через поперечные сечения Сп (см. рис. 70, где изображен двумерный образец, так что вектор yn имеет всего одну компоненту):

j(r ) = d 3r σˆ (r ,r) V (r) = −n Vn Cn dynσˆ (r , rn ) ern . (П2.15)

Отсюда, как будет видно далее, следует, что не только токи в проводниках, но и локальные значения вектора плотности тока всюду в системе полностью определяются только асимптотами потенциалов Vn (т.е. различные распределения потенциала V (r ),

имеющие одинаковые асимптоты, дают одинаковые плотности тока). Вычисляя поток вектора j (r ) через поперечное сечение т-го

проводника, для тока, текущего по этому проводнику наружу, получим:

Im = Cm dym j (r ) em = GmnVn ,

(П2.16)

n

 

где кондактанс системы определен выражением

 

Gmn = −Cm dym Cn dynerm σˆ (rm , rn )ern ,

(П2.17)

150

Источник: https://studfile.net/preview/16708741/