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 = Ω−1 ∫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 = Ω−1 ∫d d r∫d 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 =ρˆ(0) +ρˆ(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 3r′ jαβ (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