[논문 리뷰] Probing Kondo spin fluctuations with scanning tunneling microscopy and electron spin resonance

Yinan Fang, Stefano Chesi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 25.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 80인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 Kondo 불순물에 결합된 프로브 스핀의 미세한 수준 이완을 측정하여 Kondo 스핀 변동을 직접 탐지할 수 있는 새로운 ESR-STM 기법을 제안한다. 개방 양자 시스템 접근법을 사용하여, 프로브 스핀의 횡방향 자화이성도가 감도를 크게 향상시켜, sub-µeV 에너지 해상도로 Kondo 스핀 변동을 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We theoretically analyze a state-of-the-art experimental method based on a combination of electron spin resonance and scanning tunneling microscopy (ESR-STM), to directly probe the spin fluctuations in the Kondo effect. The Kondo impurity is exchange coupled to the probe spin, and the ESR-STM setup detects the small level shifts in the probe spin induced by the spin fluctuations of the Kondo impurity. We use the open quantum system approach by regarding the probe spin as the "system" and the Kondo impurity spin as the fluctuating "bath" to evaluate the resonance line shifts in terms of the dynamic spin susceptibility of the Kondo impurity. We consider various common adatoms on surfaces as possible probe spins and estimate the corresponding level shifts. It is found that the sensitivity is most pronounced for the probe spins with transverse magnetic anisotropy.

연구 동기 및 목표

• Kondo 스핀 변동은 수십 년에 걸친 연구에도 불구하고 여전히 직접적으로 탐지되지 못한 상태이므로, 이를 직접 실험적으로 탐지할 수 있는 방법을 개발하고자 한다.
• 기존 방법들이 전하 반응을 통해만 간접적으로 스핀 효과를 탐지할 수 있는 한계를 극복하고자 한다.
• STM과 ESR의 높은 공간 해상도와 에너지 해상도를 활용하여 Kondo 불순자의 동적 스핀 자화율을 탐지하고자 한다.
• 실험적으로 실현 가능한 데에 최적화된 감도를 가진 프로브 스핀을 규명하고자 한다.
• 프로브 스핀 수준 이완과 Kondo 불순자의 동적 스핀 자화율을 연결하는 이론적 프레임워크를 수립하고자 한다.

제안 방법

• Kondo 불순자를 변동하는 환경으로 모델링하고, 프로브 스핀을 개방 양자 시스템 프레임워크 내의 시스템으로 간주한다.
• 퍼터베이션 이론을 통해 Kondo 불순자의 동적 스핀 자화율을 이용해 프로브 스핀의 수준 이완을 계산한다.
• 변동-소산 관계를 적용하여 수준 이완을 스핀 자화율의 허수부와 연결한다.
• 다양한 일반적인 불순자 원자(예: Fe, Co, Mn)를 표면에 놓아, 서로 다른 자기 이방성을 가진 잠재적 프로브 스핀으로 고려한다.
• 횡방향 자기 이방성이 수준 이완에 미치는 영향을 평가하여, 이가 탐지 신호를 향상시킴을 확인한다.
• 현실적인 실험 조건을 바탕으로 예상 가능한 수준 이완을 추정하여, ESR-STM의 해상도 범위 내에서 실현 가능함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ESR-STM은 프로브 스핀의 수준 이완을 통해 Kondo 스핀 변동을 직접 탐지할 수 있는가?
• RQ2 Kondo 불순자의 동적 스핀 자화율은 프로브 스핀의 측정 가능한 수준 이완으로 어떻게 나타나는가?
• RQ3 어떤 프로브 스핀 시스템이 Kondo 스핀 변동에 대해 가장 높은 감도를 가지는가?
• RQ4 자기 이방성(축방향 대비 횡방향)은 이러한 수준 이완의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재의 ESR-STM 실험에서 이러한 이완을 관찰할 수 있는 실제 에너지 및 공간 해상도의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 프로브 스핀의 횡방향 자기 이방성이 Kondo 스핀 변동에 의해 유도되는 수준 이완을 크게 향상시킨다.
• MgO 상에 존재하는 일반적인 프로브 스핀인 Fe의 경우, 수준 이완이 ESR-STM의 sub-µeV 해상도 내에 존재함을 추정한다.
• 개방 양자 시스템 기반 이론적 프레임워크는 프로브 스핀 수준 이완과 Kondo 불순자의 동적 스핀 자화율을 성공적으로 연결한다.
• 이 방법은 기존의 전하 압축성에 의한 간접 측정과는 다름없이 스핀 변동을 직접 탐지할 수 있다.
• 현재 실험 장치로도 이론적 접근이 타당하며, 특히 강한 스핀 이방성을 가진 불순자 원자를 사용할 경우 더욱 유리하다.
• 본 연구는 ESR-STM이 원자 스케일에서 Kondo 효과의 근본적인 스핀 동역학을 탐측할 수 있음을 입증한다.