[论文解读] Competition between Kondo screening and exchange interaction in pairs of atoms

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

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究探究了在Cu2N/Cu(100)表面上成对的Co原子中的耦合Kondo杂质，其中低Kondo温度（2.6 K）和可调的交换耦合使得能够实现磁场调控的量子相。通过扫描隧道显微镜和三级输运模型，作者识别出一种新相，即在强磁场下两个杂质同时被Kondo屏蔽，且通过微分电导谱独立量化了屏蔽程度。

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. Magnetic atoms on surfaces probed through scanning tunnelling microscopy provide an excellent platform to investigate coupled impurities, but typical high Kondo temperatures prevent field-dependent studies from being performed, rendering large parts of the phase space inaccessible. We present an integral study of pairs of Co atoms on insulating Cu2N/Cu(100), which each have a Kondo temperature of only 2.6 K. In order to cover the different regions of the phase space, the pairs are designed to have interaction strengths similar to the Kondo temperature. By applying a sufficiently strong magnetic field, we are able to access a new phase in which the two coupled impurities are simultaneously screened. Comparison of differential conductance spectra taken on the atoms to simulated curves, calculated using a third order transport model, allows us to independently determine the degree of Kondo screening in each phase.

研究动机与目标

• 探究磁场下双原子体系中Kondo屏蔽与交换耦合之间的相互作用。
• 克服高Kondo温度体系中限制磁场依赖性研究的局限性。
• 进入并表征耦合Kondo杂质体系中此前不可及的相空间区域。
• 通过实验手段识别并量化一种新相，其中两个杂质同时被Kondo屏蔽。

提出的方法

• 利用绝缘的Cu2N/Cu(100)衬底上的Co原子构建Kondo温度为2.6 K的成对体系，实现磁场可调的研究。
• 调控交换耦合强度使其与Kondo温度相当，以探索多种量子相。
• 施加强磁场，将体系调制至一种新的同时Kondo屏蔽相。
• 获取单个原子的微分电导谱，以探测局域电子结构。
• 将实验谱与三级输运模型的模拟结果进行比较，以提取屏蔽程度。
• 通过模型拟合测量谱，独立确定各相中Kondo屏蔽强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当双原子对中的两个Kondo杂质在强磁场下同时被屏蔽时，会形成何种新相？
• RQ2 在低Kondo温度双原子体系中，交换相互作用如何与Kondo屏蔽竞争？
• RQ3 微分电导谱能否可靠地量化耦合杂质中Kondo屏蔽的程度？
• RQ4 磁场在调控屏蔽与交换耦合竞争关系中起什么作用？
• RQ5 实验谱与三级输运模型的理论预测相比如何？

主要发现

• 在足够强的磁场下，识别出一种新的量子相，其中双原子对中的两个Co原子同时被Kondo屏蔽。
• 低Kondo温度（2.6 K）使得能够研究通常在高TK体系中无法获得的磁场依赖行为。
• 对单个原子获取的微分电导谱显示出明显特征，可实现对Kondo屏蔽强度的独立量化。
• 三级输运模型准确再现了实验谱，验证了屏蔽程度的提取结果。
• 通过将交换耦合强度调节至与Kondo温度相当，实现了在相空间中观察相关量子现象。
• 本研究证明，低TK体系允许对Kondo屏蔽与交换相互作用之间的竞争关系进行详细探索。