[論文レビュー] Atomically crafted spin lattices as model systems for quantum magnetism

A. Spinelli, Marnix Rebergen+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、低温スキャニングトンネル顕微鏡（STM）を用いて原子的に正確に作製されたスピン格子を用い、制御可能で調整可能な系において量子スピン磁性を研究することを示している。FeおよびCo原子鎖をCu2N/Cu(100)上に設計することで、スピン相互作用、二価性、およびトンネル顕微鏡の逆作用を調査し、二価な磁気的鎖におけるスイッチングダイナミクスが、STMのスピン状態を推定するために利用可能であることが明らかになった。これは、未知のスピン状態を有するスティリの特性を特定するための新しい手法を提供する。

ABSTRACT

Low-dimensional quantum magnetism presents a seemingly unlimited source of rich, intriguing physics. Yet, as realistic experimental representations are hard to come by, the field remains predominantly theoretical. In recent years, artificial spin structures built through manipulation of magnetic atoms in a scanning tunnelling microscope have developed into a promising testing ground for experimental verification of theoretical models. Here we present an overview of available tools and discuss recent achievements as well as future avenues. Moreover, we show new observations on magnetic switching in a bistable bit that can be used to extrapolate information on the magnetisation of the microscope tip.

研究の動機と目的

• 原子的に設計された磁気的格子を、低次元量子スピン磁性を研究する実験的プラットフォームとして確立すること。
• 単一および少数原子の磁気的構造における磁気的異方性、Kondoスクリーニング、およびスピン相互作用の相乗的相互作用を調査すること。
• 原子スケールの系における磁気的二価性を検出および特徴付けるための手法を開発すること。
• 二価なスピン鎖に対するスティリの逆作用を分析することで、従来未知であったスティリの磁気的状態に関する以前にない情報を抽出すること。
• 原子スケールでのスピン格子の設計による、チューナブルでサイト特異的な量子磁気的現象の制御を可能にすること。

提案手法

• 低温STMを用いた、Cu2N/Cu(100)表面における個々のFeおよびCo原子の正確な操作。
• 非弾性電子トンネル分光法（IETS）を用いたスピン励起状態および磁気的異方性のプローブ。
• 機能化されたスピン極性STMスティリを用いた、局所的磁気的状態の検出およびスピン依存トンネル電流の測定。
• 歪み誘起異方性およびKondoスクリーニングを含むヘイゼンベルグおよび交換相互作用ハミルトニアンを用いた磁気的環境のモデル化。
• 二価な原子鎖における磁気的スイッチングダイナミクスの分析により、スティリの逆作用効果を介してスティリの磁気的状態を推定すること。
• 双極子場相互作用および複数原子へのスピン極性トンネルを考慮した、スティリの高さの変化のシミュレーション。干渉効果を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子スケールの磁気的格子は、どのようにして量子スピン磁性のモデル系として構築可能か？
• RQ2 磁気的異方性、特に歪み誘起変化が、単一原子および鎖におけるスピン状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 FeおよびCo原子がCu2N/Cu(100)上に存在する場合、Kondoスクリーニングはどのように異なり、スピンコherenの観点からどのような意味を持つのか？
• RQ4 二価な原子鎖における磁気的スイッチングダイナミクスは、STMスティリの磁気的状態を推定するために利用可能か？
• RQ5 原子鎖における磁気的スイッチング中に観察されたスティリの高さ変化の二重周期性の起源は何か？

主な発見

• 原子スケールの鎖における磁気的二価性により、トランジスタノイズおよびスピン波媒長の逆転を含むスピンスイッチングイベントの検出が可能となった。
• 鎖内の内側と外側の原子におけるスイッチング信号の振幅の非対称性は、磁化が逆方向の隣接原子へのスピン極性トンネルが信号を部分的にキャンセルするためである。
• 鎖の内側原子におけるスイッチング信号の二重周期性は、ピボット原子の寄生磁場を含めることでのみ再現可能であり、これがダイナミクスにおけるその役割を確認した。
• 原子スピン鎖がSTMスティリに及ぼす逆作用により、従来未知であったスティリの磁気的状態に関する情報を抽出可能となり、効果的にサンプルがスティリのプローブとなった。
• スイッチング電流データからφ = 3.8 eVの仕事関数が抽出され、典型的なトンネル接合値4.2 eVと非常に良好に一致した。
• モデルは、信号の非対称性を説明するためにピボット原子を必要としないことを示しており、代わりに複数原子へのトンネル電流の干渉が十分である。