[论文解读] Universal mechanism for electron paramagnetic resonance of individual adatoms

José L. Lado, Alejandro Ferrón+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出了一种通用机制，通过带有振荡电信号的自旋极化扫描隧道显微镜（STM），实现对单个原子吸附物的电控电子顺磁共振（ESR）。通过结合距离依赖的交换相互作用与电致机械振荡，该方法实现了对单个原子自旋的相干控制，解释了近期在MgO/Ag(100)表面Fe原子上观测到的ESR现象，并拓展了ESR-STM在量子传感中的应用范围。

ABSTRACT

We propose a new universal mechanism that makes it possible to drive an individual atomic spin using a spin polarized scanning tunnel microscope (STM) with an oscillating electric signal. We show that the combination of the distance dependent exchange with the magnetic tip and the electrically driven mechanical oscillation of the surface spins permits to control their quantum state. Based on a combination of density functional theory and multiplet calculations, we show that the proposed mechanism is essential to account for the recently observed electrically driven paramagnetic spin resonance (ESR) of an individual Fe atom on a MgO/Ag(100) surface. Our findings set the foundation to deploy the ESR-STM quantum sensing technique to a much broader class of systems.

研究动机与目标

• 解释近期在MgO/Ag(100)表面单个Fe原子上观测到的电控参数磁共振（ESR）背后的机制。
• 开发一种通用框架，利用带有振荡电信号的自旋极化STM控制单个原子自旋。
• 确立机械振荡与距离依赖的交换耦合在此前实现相干自旋控制中的作用。
• 将ESR-STM的适用范围扩展至更广泛的磁性原子吸附物和基底材料。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）模拟Fe原子吸附在MgO/Ag(100)表面的电子与磁性性质。
• 使用多重态计算以考虑过渡金属原子3d壳层中的电子关联效应。
• 将自旋极化的STM探针建模为磁交换耦合与电致机械振荡的双重来源。
• 分析振荡电场与距离依赖的交换相互作用之间的相互作用，以驱动自旋跃迁。
• 推导出包含磁交换与机械驱动项的有效自旋哈密顿量。
• 通过与实验ESR数据对比验证模型，确认该机制与观测到的共振条件一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有振荡电信号的自旋极化STM如何实现对单个原子吸附物的相干电子顺磁共振？
• RQ2 表面原子吸附物的机械振荡在实现电控自旋跃迁中起什么作用？
• RQ3 STM探针与吸附物之间距离依赖的交换相互作用如何促进自旋控制？
• RQ4 为何该机制适用于不同磁性原子吸附物与基底材料？
• RQ5 该机制能否解释在MgO/Ag(100)表面Fe原子上观测到的ESR共振？

主要发现

• 所提出的机制成功解释了在MgO/Ag(100)表面单个Fe原子上实验观测到的电控参数磁共振。
• 自旋极化隧道效应与电致机械振荡的结合，实现了对单个原子自旋态的相干控制。
• STM探针与吸附物之间距离依赖的交换耦合是实现振荡电场下自旋翻转跃迁的关键。
• 该机制可推广至广泛的磁性原子吸附物与基底材料，推动ESR-STM在量子传感中的更广泛应用。
• 多重态效应与电子关联在准确建模自旋响应与共振条件中至关重要。
• 该模型为设计未来在多样化原子尺度磁性系统上的ESR-STM实验提供了可预测的理论框架。