[论文解读] Probing Kondo spin fluctuations with scanning tunneling microscopy and electron spin resonance

Yinan Fang, Stefano Chesi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 80被引用 1

一句话总结

本文提出一种新颖的 ESR-STM 技术，通过测量与 Kondo 杂质耦合的探测自旋中微小能级位移，直接探测 Kondo 自旋涨落。采用开放量子系统方法，表明探测自旋中的横向磁各向异性显著增强灵敏度，实现亚 µeV 能量分辨率下对 Kondo 自旋涨落的探测。

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.

研究动机与目标

• 开发一种直接探测 Kondo 自旋涨落的实验方法，尽管经过数十年研究，此类涨落仍难以捉摸。
• 克服现有方法仅通过电荷响应间接探测自旋效应的局限性。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）和电子自旋共振（ESR）的高空间与能量分辨率，探测 Kondo 杂质的动态自旋磁化率。
• 识别具有增强灵敏度的最优探测自旋体系，以实现实验可行化。
• 建立理论框架，将探测自旋能级位移与 Kondo 杂质的动态自旋磁化率联系起来。

提出的方法

• 在开放量子系统框架下，将 Kondo 杂质建模为涨落浴，探测自旋作为系统。
• 利用 Kondo 杂质的动态自旋磁化率，通过微扰理论计算探测自旋中的能级位移。
• 应用涨落-耗散关系，将能级位移与自旋磁化率的虚部联系起来。
• 考虑各种常见吸附原子（如 Fe、Co、Mn）在表面作为具有不同磁各向异性的潜在探测自旋。
• 评估能级位移对横向磁各向异性的敏感性，发现其可增强探测信号。
• 估算真实实验参数下可实现的能级位移，确认其在 ESR-STM 分辨率范围内的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 ESR-STM 能否通过探测自旋能级位移直接探测 Kondo 自旋涨落？
• RQ2 Kondo 杂质的动态自旋磁化率如何以可测量的能级位移形式表现？
• RQ3 哪些探测自旋体系对 Kondo 自旋涨落的灵敏度最高？
• RQ4 磁各向异性（轴向与横向）如何影响这些能级位移的可探测性？
• RQ5 在当前 ESR-STM 实验中，观察这些位移的现实能量与空间分辨率极限是什么？

主要发现

• 探测自旋中的横向磁各向异性显著增强了由 Kondo 自旋涨落引起的能级位移。
• 对于 MgO 表面的 Fe 等常见探测自旋，估算的能级位移处于 ESR-STM 的亚 µeV 分辨率范围内。
• 基于开放量子系统的理论框架成功将探测自旋能级位移与 Kondo 杂质的动态自旋磁化率联系起来。
• 该方法为自旋涨落提供了直接探测手段，区别于以往通过电荷可压缩性间接测量的方法。
• 该方法在当前实验装置下具有鲁棒性与可行性，尤其在使用强自旋各向异性的吸附原子时表现更优。
• 本研究证明 ESR-STM 可在原子尺度上探测 Kondo 效应的基本自旋动力学。