Electron transport in driven nanojunctions

Abstract

Nanojunctions offer the possibility of studying the transport properties of driven nano-sized materials, such quantum dots or single molecules, attached to electric leads. Recent experimental and theoretical studies of these systems has increasing our understanding of quantum transport phenomena, that underlie the behaviour of the building blocks of electronic circuits. In this Thesis, we study the electron transport in nanojunctions. We develop a model in which the nanojunction is treated as an open-quantum system, whit the nano-sized material modelled as a conducting array of electron sites, interacting with multiple environments. We model the nanojunction dynamics with a Lindblad quantum master equation, which takes into account the interactions that induce electron transitions between the conducting array eigenstates. Solving numerically the nanojunction dynamics in the steady state, we compute nanojuction observables such as the electric current through the nanojunction while a bias voltage is applied. Our results show that electron tunneling dynamics explains conductance peak at voltages where a resonant condition is satisfied. Processes such as spontaneous emission or phonon relaxation, explain the behaviour of populations on a set of eigenstates affected by them, producing that their contribution to the current at the left-right contacts are different. Electron transport is dependent on the conducting array geometries, but reaching similar saturation current value. When an incoherent pumping source is applied to the conducting array, our results show the effects of current-induced light and light-induced current, allowing even a photocurrent at zero bias configuration when the left-right tunneling rates are different, while the induced photocurrent direction depends on whether the conducting array has delocalized electrons in the ground or the excited orbital manifold.

Nanojunturas ofrecen la posibilidad de estudiar las propiedades de transporte de materiales nanometricos impulsados, como puntos cuánticos o moléculas individuales, unidos a cables eléctricos. Recientes estudios experimentales y teóricos de estos sistemas han aumentado nuestro entendimiento de procesos de transporte cuántico, que subyace el comportamiento de los bloques de construcción de circuitos electrónicos. En esta Tesis, estudiamos el transporte de electrones en nanojunturas. Desarrollamos un modelo en el cual la nanojuntura es tratada como un sistema cuántico abierto, con el material nanométrico modelado como un arreglo conductor de sitios de electrones, interactuando con múltiples ambientes. Modelamos la dinámica de la nanojuntura con una ecuación maestra cuántica de Lindblad, que toma en consideración las interacciones que inducen transiciones de electrones entre los autoestados del arreglo conductor. Resolviendo numéricamente la dinámica de la nanojunctura en el estado estacionario, calculamos observables de la nanojuntura como la corriente eléctrica a través de la nanojuntura mientras un voltaje de polarización es aplicado. Nuestros resultados muestran que la dinámica de tuneleo de electrones explica picos de conductancia a voltajes donde la condición de resonancia es satisfecha. Procesos como emisión espontánea y relajación por fonones, explica el comportamiento de las poblaciones para un conjunto de autoestados afectados por ellos, produciendo que sus contribuciones a la corriente en los contactos a la izquierda y derecha sean diferentes. El transporte de electrones es dependiente de la geometría del arreglo conductor, pero alcanzando un valor similar de corriente de saturación. Cuando una fuente de bombeo incoherente es aplicada al arreglo conductor, nuestros resultados muestran los efectos de luz inducida por corriente y corriente inducida por luz, permitiendo inclusive una corriente fotoeléctrica a configuraciones donde el voltaje de polarización es cero cuando las tasas de tuneleo a la izquierda y derecha son diferentes, mientras que dirección de la corriente fotoeléctrica inducida depende de si el arreglo conductor tiene electrones deslocalizados en el conjunto de orbitales base o el excitados.