[논문 리뷰] Full experimental realisation of the two-impurity Kondo problem

A. Spinelli, Miriam Coenders‐Gerrits외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 17.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저온 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 Cu2N/Cu(100) 상에서 두 코발트 원자를 이용해 이중 불순자 쿤도 문제를 실험적으로 실현하였다. 스핀 교환 상호작용과 자기장을 조절하여 쿤도 상관관계를 탐구하였다. 자기장이 스핀 교환 상호작용을 상쇄함으로써 쿤도 필터링이 복원됨을 보여주었고, 강한 결합을 가진 원자 쌍에서 기계적 스트레인에 의해 쉽게 축 방향과 쉽게 평면의 스핀 이방성이 상호 변환됨을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어 가능한 원자 척도 시스템에서 이중 불순자 쿤도 문제를 실험적으로 실현하기.
• 교환 결합된 쿤도 불순자에서 기인하는 상관 현상의 전체 위상 공간을 매핑하기.
• 미세 전도도 스펙트럼 분석과 삼차 전송 모델링을 통해 쿤도 상관관계의 정도를 독립적으로 측정하기.
• 교환 결합이 쿤도 필터링을 억제할 경우 자기장이 그 복원에 미치는 역할을 탐구하기.
• 결합된 Co 원자 쌍에서 결정 스트레인이 스핀 이방성에 미치는 영향을 탐색하기.

제안 방법

• 저온 스캐닝 터널링 현미경(LT-STM)을 사용하여 Cu2N/Cu(100) 상에 Co 원자를 쌍으로 형성하고 그들을 탐측하였다.
• 이중 불순자 쿤도 모델의 전체 위상 공간을 커버할 수 있도록 Co 원자 간의 교환 결합 강도를 설계하였다.
• 개별 Co 원자에서의 미세 전도도 스펙트럼을 측정하고, 삼차 전송 모델에서 유도된 시뮬레이션 곡선과 비교하였다.
• 외부 자기장을 적용하여 교환 상호작용을 조절하고, 쿤도 필터링 억제의 상쇄 여부를 탐구하였다.
• Cu(100) 기질의 스트레인 변화를 이용하여 강한 결합을 가진 원자 쌍의 스핀 이방성을 조절하였다.
• 이론적 모델링을 통해 측정된 스펙트럼에서 쿤도 상관관계 강도를 독립적으로 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STM를 사용하여 원자 척도 정밀도로 이중 불순자 쿤도 문제를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장이 이중 불순자 시스템에서 쿤도 필터링과 교환 결합 간의 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 교환 상호작용이 자기장에 의해 상쇄될 경우 쿤도 상관관계는 어느 정도 복원될 수 있는가?
• RQ4 기질의 스트레인이 강한 결합을 가진 쿤도 불순자의 스핀 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 쉽게 축 방향과 쉽게 평면의 이방성 간 전이가 실험적으로 조절 가능한가?

주요 결과

• 충분히 강한 자기장이 교환 상호작용을 상쇄함으로써 이중 불순자 시스템에서 쿤도 상관관계가 복원됨을 확인하였다.
• 실험적 미세 전도도 스펙트럼을 삼차 전송 모델 시뮬레이션과 비교하여 쿤도 상관관계 정도를 독립적으로 정량화하였다.
• 쿠논도 영역에서 벗어난 강한 결합을 가진 Co 원자 쌍에서 기계적 스트레인의 변화가 쉽게 축 방향과 쉽게 평면의 스핀 이방성 간의 조절을 가능하게 하였다.
• 싗험적 시스템은 이중 불순자 쿤도 모델의 전체 위상 공간을 커버하여 상관 현상의 체계적 탐구를 가능하게 하였다.
• 관측된 자기장 의존성은 교환 상호작용의 상쇄를 통한 쿤도 필터링 복원에 대한 이론 예측을 확인하였다.
• 결과적으로 원자 척도 시스템을 사용하여 복잡한 양자 다체 현상을 시뮬레이션하고 탐구하는 것이 가능함을 입증하였다.