[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究证明，通过低温扫描隧道显微镜与原子操控技术工程化制备的原子自旋链中的量子纠缠，可经由基底电子对纠缠自旋基态的屏蔽作用，诱导产生Kondo单重态。微分电导中的Kondo共振使得纠缠的电学读出成为可能，并可实现至少十个磁性原子的多体态工程。

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.

研究动机与目标

• 探索原子尺度磁性链中的量子纠缠，作为关联电子系统的一种模型。
• 研究自旋链中的纠缠是否可导致多体Kondo态的出现。
• 开发一种通过微分电导中可观测的Kondo共振来实现纠缠电学检测的方法。
• 通过调节工程化链中的原子组成和耦合强度，实现对纠缠的调控。
• 为利用原子操控技术逐原子构建奇异关联电子材料奠定基础。

提出的方法

• 利用低温扫描隧道显微镜（LT-STM）对基底上的单个磁性原子进行成像与操控。
• 通过控制组成和原子间耦合，构建具有特定特性的原子链，以调节自旋基态中的纠缠。
• 测量微分电导，检测由基底电子屏蔽纠缠自旋态而产生的Kondo共振。
• 通过调控链长和磁性耦合，使Kondo单重态在至少十个磁性原子上稳定存在。
• 应用原子操控技术精确控制自旋链结构，并探测其电子响应。
• 利用Kondo共振作为纠缠诱导多体屏蔽的特征信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子自旋链中的纠缠是否可通过基底电子的屏蔽作用，导致Kondo单重态的形成？
• RQ2 Kondo共振在多大程度上可作为这些系统中量子纠缠的可观测量特征？
• RQ3 调节原子链中的组成和耦合强度，如何影响Kondo屏蔽的出现？
• RQ4 能否以受控方式将Kondo态扩展至多个磁性原子？
• RQ5 基底电子在原子链中纠缠自旋态屏蔽过程中扮演何种角色？

主要发现

• 在原子自旋链中，纠缠诱导出Kondo单重态，其特征为微分电导中出现明显的Kondo共振。
• Kondo共振在包含至少十个磁性原子的链中持续存在，表明存在长程多体屏蔽。
• 通过可观测的Kondo共振实现了纠缠的电学读出，从而可检测量子关联。
• 通过调节原子链的组成和耦合强度，可实现对纠缠程度和范围的调控。
• 该系统表明，基底电子可屏蔽纠缠自旋基态，形成多体Kondo态。
• 结果为利用原子操控和STM技术逐原子构建奇异关联电子态提供了可行路径。