[論文レビュー] Full experimental realisation of the two-impurity Kondo problem

A. Spinelli, Miriam Coenders‐Gerrits+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温走査トンネル顕微鏡を用いて、Cu2N/Cu(100)上に配置された2つのコバルト原子を用いて、二体インパルティ Kondo 問題を実験的に実現した。交換結合と磁場を調整することで、Kondo相関をプローブした。磁場を印加して交換相互作用をキャンセルすることで、Kondoスクリーニングが回復することを示し、強い結合を持つペアにおける容易軸および容易面スピン異方性の歪み誘発的チューニングを明らかにした。

ABSTRACT

A system of two exchange-coupled Kondo impurities in a magnetic field gives rise to a rich phase space hosting a multitude of correlated phenomena. We use a low-temperature scanning tunnelling microscope to construct pairs of Co atoms on Cu$_2$N/Cu(100), designed to have exchange interaction strengths that cover this entire phase space. By comparing differential conductance spectra taken on the atoms to simulated curves calculated using a third order transport model, we are able to independently determine the degree of Kondo correlation. We demonstrate that correlations can be re-established when a sufficiently strong magnetic field cancels out the exchange interaction. For strongly coupled atom pairs far outside the Kondo correlated regime, we find that variations in crystal strain can tune the atomic spins between easy-axis and easy-plane anisotropy.

研究の動機と目的

• 制御された原子スケール系において、二体インパルティ Kondo 問題を実験的に実現すること。
• 交換結合された Kondo インパルティに起因する相関現象の全フェーズスペースをマップすること。
• 微分伝導度スペクトロスコピーと3次モード輸送モデルを用いて、Kondo相関の度合いを独立に特定すること。
• 交換結合が Kondo スクリーニングを抑制する状況で、磁場が Kondo スクリーニングの回復に果たす役割を調査すること。
• 結晶の歪みが強く結合した Co 原子ペアにおけるスピン異方性に与える影響を調査すること。

提案手法

• 低臨界温度走査トンネル顕微鏡（LT-STM）を用いて、Cu2N/Cu(100)上に Co 原子ペアを形成し、そのプローブを行った。
• 二体インパルティ Kondo モデルの全フェーズスペースをカバーするように、Co 原子間の交換結合強度を設計した。
• 個々の Co 原子の微分伝導度スペクトルを測定し、3次モード輸送モデルからのシミュレート曲線と比較した。
• 磁場を印加して交換相互作用を調整し、Kondo スクリーニングのキャンセルをプローブした。
• Cu(100)基板における歪みの変動を用いて、強く結合したペアのスピン異方性を変調した。
• 理論的モデリングにより、測定されたスペクトルから独立して Kondo 相関強度を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STMを用いて原子精度で二体インパルティ Kondo 問題を実験的に実現できるか？
• RQ2 外部磁場が二体インパルティ系における Kondo スクリーニングと交換結合の相互作用に与える影響は何か？
• RQ3 交換相互作用が磁場によってキャンセルされた場合、Kondo 相関はどの程度回復できるか？
• RQ4 基板の歪みが強く結合した Kondo インパルティのスピン異方性に与える影響は何か？
• RQ5 このような系において、容易軸と容易面異方性の間の遷移を実験的にチューニングできるか？

主な発見

• 十分に強い磁場を印加することで、交換相互作用がキャンセルされ、二体インパルティ系における Kondo 相関が再び確立される。
• 実験的微分伝導度スペクトルと3次モード輸送モデルのシミュレーションを比較することで、Kondo 相関の度合いが独立に定量された。
• Kondo領域から遠く離れた強く結合した Co 原子ペアにおいて、結晶の歪みの変動が、容易軸と容易面構成の間でのスピン異方性のチューニングを可能にした。
• 実験系は二体インパルティ Kondo モデルの全フェーズスペースをカバーしており、相関現象の体系的探索が可能である。
• 観測された磁場依存性は、交換キャンセリングによる Kondo スクリーニング回復の理論的予測を確認するものである。
• 結果は、原子スケール系を用いて複雑な量子多体現象を模擬・プローブすることが可能であることを示している。