[論文レビュー] Entanglement-induced Kondo screening in atomic spin chains

Deung-Jang Choi, Roberto Robles+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、低温走査トンネル顕微鏡および原子操作を用いて設計された原子スピン鎖における量子もつれが、基底状態のスピンがスピン鎖によってスクリーニングされることで、Kondo singlet状態を誘導することを示している。微分伝導度におけるKondo共鳴は、もつれの電気的読み出しを可能にし、少なくとも10個の磁性原子を含む多体状態の設計を可能にする。

ABSTRACT

Quantum entanglement permeates the complex ground states of correlated electron materials defying single-particle descriptions. Coupled magnetic atoms have potential as model systems for entanglement in condensed matter giving the opportunity to create artificial many-body states which can be controlled by tuning the underlying interactions. They provide an avenue to unravel the complexities of correlated-electron materials. Here we use low temperature scanning tunnelling microscopy (STM) and atomic manipulation to tune entanglement in chains of magnetic atoms. We find that a Kondo singlet state can emerge from this entanglement. The many electron Kondo state is based on the screening of the entangled spin ground state of the chain by substrate electrons and can be engineered to envelop at least ten magnetic atoms. The concomitant Kondo resonance measured in the differential conductance enables the electric read-out of entanglement. By tuning composition and coupling strength within atomic chains it is possible to create model spin chains with defined entanglement. This lays the foundation for a new class of experiments to construct exotic correlated-electron materials atom by atom.

研究の動機と目的

• 相関電子系のモデルとして、原子スケールの磁性鎖における量子もつれを調査すること。
• スピン鎖におけるもつれが、多体Kondo状態の出現を引き起こすかどうかを調査すること。
• 微分伝導度における測定可能なKondo共鳴を通じて、もつれを電気的に検出する方法を開発すること。
• 設計された鎖における原子組成および結合強度を調整することで、もつれの制御を実現すること。
• 原子操作を用いて原子1つずつに制御的に組み立てる方法として、特異な相関電子材料を構築する基盤を築くこと。

提案手法

• 低温走査トンネル顕微鏡（LT-STM）を用いて、基板上に個々の磁性原子を像取りおよび操作すること。
• スピン基底状態におけるもつれを調整できるように、制御された組成および原子間結合を有する原子鎖を構成すること。
• 微分伝導度を測定し、基底状態のスピンが基板電子によってスクリーニングされることで生じるKondo共鳴を検出すること。
• 鎖の長さおよび磁性結合を調整することで、少なくとも10個の磁性原子にわたるKondo singlet状態を安定化させること。
• 原子操作技術を用いてスピン鎖の構造を正確に制御し、その電子的応答をプローブすること。
• Kondo共鳴を、もつれ誘発多体スクリーニングの印であるとして利用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子スピン鎖におけるもつれが、基板電子によるスクリーニングを通じてKondo singlet状態の形成を引き起こすか？
• RQ2 Kondo共鳴が、これらの系における量子もつれの測定可能な印として、どの程度まで利用可能か？
• RQ3 原子鎖における組成および結合強度を調整することで、Kondoスクリーニングの出現にどのような影響を与えるか？
• RQ4 Kondo状態を制御的に複数の磁性原子にわたって拡張することは可能か？
• RQ5 基板電子が、原子鎖におけるもつれスピン状態のスクリーニングを媒介する役割を果たすか？

主な発見

• 原子スピン鎖におけるもつれからKondo singlet状態が出現し、微分伝導度における明確なKondo共鳴によって確認された。
• Kondo共鳴は、少なくとも10個の磁性原子を含む鎖においても持続することが観測され、長距離多体スクリーニングを示している。
• もつれの電気的読み出しは、測定可能なKondo共鳴を通じて達成され、量子相関の検出が可能になった。
• 原子鎖の組成および結合強度を調整することで、もつれの度合いおよび範囲を制御可能となった。
• この系は、基板電子がもつれスピン基底状態をスクリーニングし、多体Kondo状態を形成できることを示している。
• 本研究の結果は、原子操作およびSTMを用いて、原子1つずつに制御的に特異な相関電子状態を設計する道筋を確立した。