[论文解读] Evidence for a spinon Kondo effect in cobalt atoms on single-layer 1T-TaSe$_2$

Yi Chen, Wen-Yu He+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究为在单层1T-TaSe₂上沉积的钴原子中存在自旋子Kondo效应提供了实验证据，该材料是量子自旋液体的候选者。利用扫描隧道谱学，研究人员在钴吸附原子与自旋液体电荷分布最大重叠时，在 Hubbard 带边缘观测到由自旋子诱导的Kondo共振峰，该结果通过采用改进的安德森杂质模型并耦合无能隙自旋子与规范涨落的理论建模得到证实。

ABSTRACT

Quantum spin liquids (QSLs) are highly entangled, disordered magnetic states that arise in frustrated Mott insulators and host exotic fractional excitations such as spinons and chargons. Despite being charge insulators some QSLs are predicted to exhibit gapless itinerant spinons that yield metallic behavior in the spin channel. We have deposited isolated magnetic atoms onto single-layer (SL) 1T-TaSe$_2$, a gapless QSL candidate, to experimentally probe how itinerant spinons couple to impurity spin centers. Using scanning tunneling spectroscopy we observe the emergence of new, impurity-induced resonance peaks at the 1T-TaSe$_2$ Hubbard band edges when cobalt adatoms are positioned to have maximal spatial overlap with the Hubbard band charge distribution. These resonance peaks disappear when the spatial overlap is reduced or when the magnetic impurities are replaced with non-magnetic impurities. Theoretical simulations using a modified Anderson impurity model integrated with a gapless quantum spin liquid show that these resonance peaks are consistent with a Kondo resonance induced by spinons combined with spinon-chargon binding effects that arise due to QSL gauge-field fluctuations.

研究动机与目标

• 研究巡游自旋子在量子自旋液体中如何与磁性杂质耦合。
• 探测由分数化自旋子而非传导电子介导的Kondo效应。
• 确定在无能隙量子自旋液体宿主中是否发生自旋子介导的Kondo屏蔽。
• 通过空间与谱学控制区分自旋子Kondo效应与传统Kondo效应。

提出的方法

• 使用扫描隧道谱学（STS）测量单层1T-TaSe₂上单个钴吸附原子的局域态密度。
• 通过控制钴吸附原子的位置，调节其与1T-TaSe₂ Hubbard带电荷分布的重叠程度。
• 理论建模采用改进的安德森杂质模型，耦合至无能隙量子自旋液体，并包含规范场涨落。
• 模拟考虑了来自QSL规范涨落的自旋子-电荷束缚效应，以重现观测到的共振特征。
• 与非磁性杂质的对比证实了观测共振的磁性起源。
• 通过与实验STS数据对比，对理论预测进行基准测试，以验证自旋子Kondo机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 无能隙量子自旋液体中的自旋子能否与磁性杂质介导Kondo效应？
• RQ2 当磁性杂质在空间上与1T-TaSe₂ Hubbard带电荷分布最大重叠时，Kondo共振峰是否特异性出现？
• RQ3 QSL规范场涨落如何影响该体系中Kondo共振的形成？
• RQ4 能否通过谱学与空间控制将观测到的共振与传统Kondo效应区分开来？
• RQ5 自旋子-电荷束缚在量子自旋液体宿主中对Kondo共振的形状起何种作用？

主要发现

• 只有当钴吸附原子与Hubbard带电荷分布实现最大空间重叠时，才在1T-TaSe₂ Hubbard带边缘出现杂质诱导的共振峰。
• 当空间重叠减少或使用非磁性杂质时，共振峰消失，证实了其磁性起源。
• 理论模拟证实，观测到的共振与由巡游自旋子介导、并受规范涨落引起的自旋子-电荷束缚效应调制的Kondo效应一致。
• Kondo共振的能量尺度对杂质与自旋液体宿主之间的空间耦合强度高度敏感。
• 结果为由分数化自旋子激发驱动而非传统传导电子驱动的Kondo效应提供了直接实验证据。
• 本研究通过受控的磁性杂质掺杂，建立了一个研究量子自旋液体中Kondo物理的新平台。