[論文レビュー] Universal mechanism for electron paramagnetic resonance of individual adatoms

José L. Lado, Alejandro Ferrón+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、スピン極化STMに周期的な電気信号を印けることで、個々の原子吸着種における電子スピン共鳴（ESR）を電気的に駆動する普遍的なメカニズムを提案する。距離依存の交換相互作用と電気的に駆動される機械的振動を組み合わせることで、個々の原子スピンのコherent制御が可能となり、Fe原子がMgO/Ag(100)上に吸着した系における最近のESR観測を説明するとともに、ESR-STMの量子センシングへの応用範囲を拡大する。

ABSTRACT

We propose a new universal mechanism that makes it possible to drive an individual atomic spin using a spin polarized scanning tunnel microscope (STM) with an oscillating electric signal. We show that the combination of the distance dependent exchange with the magnetic tip and the electrically driven mechanical oscillation of the surface spins permits to control their quantum state. Based on a combination of density functional theory and multiplet calculations, we show that the proposed mechanism is essential to account for the recently observed electrically driven paramagnetic spin resonance (ESR) of an individual Fe atom on a MgO/Ag(100) surface. Our findings set the foundation to deploy the ESR-STM quantum sensing technique to a much broader class of systems.

研究の動機と目的

• 最近観測されたMgO/Ag(100)上に吸着した個々のFe原子における電気的駆動型パラ磁性スピン共鳴（ESR）の背後にあるメカニズムを説明すること。
• スピン極化STMに周期的な電気信号を印けることで、個々の原子スピンを制御する一般的なフレームワークを構築すること。
• 機械的振動と距離依存の交換結合が、コherentスピン制御を可能にする役割を確立すること。
• ESR-STMの応用範囲を、より広い種類の磁性原子吸着種および基板に拡大すること。

提案手法

• Fe原子のMgO/Ag(100)上における電子的および磁気的性質をモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）を用いる。
• 遷移金属原子吸着種の3d殻における電子相関効果を考慮するため、多重項計算を用いる。
• スピン極化STM先端を、磁気的交換結合と電気的に駆動される機械的振動の両方の源としてモデル化する。
• 周期的な電場と距離依存の交換相互作用の相乗効果がスピン遷移を駆動する仕組みを分析する。
• 磁気的交換項と機械的駆動項を含む有効スピンハミルトニアンを導出する。
• 実験的ESRデータとの整合性を確認するため、モデルを実験データに対して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン極化STMから発生する周期的な電気信号が、1つの原子吸着種におけるコherent電子パラ磁性スピン共鳴をどのように駆動するのか？
• RQ2 表面原子吸着種の機械的振動が、電気的駆動スピン遷移を可能にする役割は何か？
• RQ3 STM先端と原子吸着種との間の距離依存の交換相互作用が、スピン制御にどのように寄与するか？
• RQ4 このメカニズムが、さまざまな磁性原子吸着種および基板に普遍的に適用可能な理由は何か？
• RQ5 このメカニズムは、MgO/Ag(100)上に吸着したFe原子における観測されたESR共鳴を説明できるか？

主な発見

• 提案されたメカニズムは、MgO/Ag(100)上に吸着した1つのFe原子における実験的に観測された電気的駆動型パラ磁性スピン共鳴をうまく説明している。
• スピン極化トンネル効果と電気的に駆動される機械的振動の組み合わせにより、個々の原子スピン状態のコherent制御が可能である。
• STM先端と原子吸着種との間の距離依存の交換結合が、周期的な電場下でのスピン反転遷移を媒介するために不可欠である。
• このメカニズムは、広範な磁性原子吸着種および基板に一般化可能であり、ESR-STMの量子センシングへの応用範囲を拡大可能である。
• 多重項効果と電子相関は、スピン応答および共鳴条件を正確にモデル化する上で重要である。
• 本モデルは、多様な原子スケール磁性系における将来的なESR-STM実験の設計に予測可能なフレームワークを提供する。