Crean imanes cuánticos atómicamente y excitaciones anómalas


Los imanes cuánticos se pueden estudiar mediante estudios espectroscópicos de alta resolución para acceder a cantidades magnetodinámicas, incluidas las barreras de energía, las interacciones magnéticas y la vida útil de los estados excitados. En un nuevo informe ahora publicado en Science Advances, Sascha Brinker y un equipo de científicos en simulación avanzada y física de microestructuras en Alemania estudiaron un sabor previamente inexplorado de excitación de espín de baja energía para espines cuánticos acoplados a un baño de electrones. El equipo combinó teorías de perturbaciones dependientes del tiempo y de muchos cuerpos y espectros de efecto túnel dependientes del campo magnético para identificar los estados magnéticos de las nanoestructuras y racionalizar los resultados en relación con las interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticas. Los nanoimanes fabricados atómicamente son atractivos para explorar sistemas de espín bombeados eléctricamente.

Huella dactilar experimental y teórica de espectroscopía de tunelización de barrido inelástico (STS) de un Cr adatom en la superficie Nb(110) con campos magnéticos externos variables. (A) Imagen topográfica experimental del adatom. (B y C) Espectros experimentales dI/dU y d2I/dU2, I = 3 nA y T = 600 mK. (D) Densidad de excitaciones spin-flip obtenidas de TD-DFT. (E) Espectro STS inelástico teórico correspondiente a la densidad local renormalizada de estados de MBPT calculada a una altura de 4,7 Å por encima del adatom. (F) Similar a (E) con los espectros teóricos resueltos por espín. Los diferentes espectros dependientes del campo se desplazan para mejorar la visibilidad. Crédito: Avances científicos, DOI: 10.1126/sciadv.abi7291

Magnetodinámica anómala

La magnetodinámica a escala atómica constituye la piedra angular de los dispositivos a nanoescala basados en espín con aplicaciones en futuras tecnologías de la información. Las interacciones de los estados de giro locales también juegan un papel crucial con el entorno local para determinar sus propiedades. Los investigadores han descrito el impacto de los efectos de hibridación orbital, la transferencia de carga y la presencia de impurezas cercanas como fuertes factores de influencia en el estado fundamental magnético, para determinar una gama de cualidades magnetodinámicas, incluida la anisotropía magnética, la vida útil del espín y los mecanismos de relajación del espín. Se pueden desarrollar métodos experimentales para capturar directamente estas propiedades y analizar los fenómenos magnéticos de las descripciones clásicas y semiclásicas a escalas subnanométricas para revelar la aparición de efectos mecánicos cuánticos exquisitos. Estos logros pueden facilitar la comprensión de esquemas computacionales clásicos para marcar el ritmo para probar ideas y conceptos con un impacto directo en esquemas computacionales cuánticos innovadores basados en espín. En este trabajo, Brinker et al. discutió la aparición de señales espectroscópicas anómalas centradas alrededor de la energía de Fermi de átomos individuales de cromo acoplados a niobio metálico. Luego, el equipo también describió el efecto Kondo, que surge de la interacción mecánica cuántica entre los electrones de un metal anfitrión y la impureza magnética, para producir variaciones locales de carga y espín alrededor de la impureza magnética; un fenómeno de importancia en la física de muchos cuerpos, pero de importancia técnica limitada.

Huella digital STS inelástica teórica y experimental de los dímeros Cr a lo largo de las direcciones [001], [11¯¯¯0] y [11¯¯¯1] en la superficie Nb(110). (A) Ilustración de los dímeros (topografía STM) y sus estructuras magnéticas de estado fundamental. Las estructuras magnéticas se obtienen a partir de cálculos DFT no colineales autoconsistentes. (B) Espectros STS inelásticos experimentales de los dímeros, I = 3 nA y T = 600 mK (líneas coloreadas). Las medidas del adatom de Cr único se muestran como referencia (líneas grises finas; véase también la Fig. 1). Los diferentes espectros se desplazan verticalmente para mejorar la visibilidad. (C) Susceptibilidad magnética obtenida de TD-DFT. Los espectros del dímero [001] y [11¯¯¯1] están escalados por un factor de 50 y 2, respectivamente. Crédito: Avances científicos, DOI: 10.1126/sciadv.abi7291

Adátomos


El equipo describió el campo magnético de los átomos de muestra junto con su evolución cuando los adatomos se acoplaron mediante la creación de nanoestructuras ferromagnéticas y antiferromagnéticas diseñadas atómicamente. Los adatomos o átomos adsorbidos son átomos que se encuentran sobre una superficie de cristal y actúan como lo opuesto a una superficie vacante. Usando simulaciones de primeros principios, Brinker et al. luego identificó manifestaciones espectroscópicas paradigmáticas de excitaciones de espín. Si bien los investigadores habían explorado previamente sustratos aislantes delgados, el equipo aquí exploró sustratos metálicos para diseñar imanes antiferromagnéticos o ferromagnéticos hechos de unos pocos átomos de cromo acoplados por intercambio.

STS polarizado por espín adquirido en una cadena de siete adatomos a lo largo de [001]. (A) Datos espectroscópicos recopilados colocando la punta encima de cada adatomo a lo largo de la cadena (ver números). Los datos revelan la existencia de acoplamiento antiferromagnético. (B) Comparación entre los espectros STS adquiridos en adatom vecinos [3 y 4 en (A)], destacando el contraste de espín opuesto. Las medidas se han adquirido a 5 T con una punta terminada en Cr. Parámetros de estabilización: V = −10 meV, I = 3 nA y modulación Vrms = 200 μV. Crédito: Avances científicos, DOI: 10.1126/sciadv.abi7291

Como plataforma prototípica, se centraron en átomos de cromo (Cr) acoplados a la superficie de niobio (Nb) y prepararon el cristal de Nb según estudios previos y depositaron los átomos de Cr individuales directamente sobre un sustrato frío. Luego regularon los átomos para crear una nanoestructura con un átomo de Cr aislado, bien separado de los átomos circundantes. Esta configuración les permitió analizar el efecto de los momentos magnéticos locales acoplados a un baño de electrones, excluyendo la influencia de los adatomos cercanos. El equipo obtuvo datos espectroscópicos colocando la punta directamente sobre el Cr adatom y utilizando el proceso experimental, midieron la evolución de los datos espectroscópicos y el origen magnético de las excitaciones, mientras exploraban el origen de las características espectrales anómalas. En contraste con los adatomos depositados en un aislante, los momentos magnéticos en un metal experimentaron efectos adicionales que incluyen anisotropía magnética, energía de Zeeman e interacciones de intercambio magnético. El modelo tuvo en cuenta todas las tendencias experimentales relativas al cambio y la ampliación de la energía y permitió a los científicos reproducir las anomalías mediante simulaciones ab initio. Los resultados destacaron los límites experimentales al explicar la dificultad de identificar espectros de excitación de espín similares, por ejemplo, con cobalto en superficies de cobre y plata, en comparación con cromo en niobio, como se ve en este trabajo.

Dímeros y trímeros a cadenas largas

Brinker et al. investigó más a fondo la consistencia de los datos experimentales explorando el paradigma de la excitación del espín mediante el uso de métodos de manipulación atómica para crear artificialmente dímeros magnéticos orientados a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas en la superficie de niobio. Para confirmar el resultado de los distintos espectros de excitación de espín que se identificaron para los dímeros activados por sus momentos de espín, los científicos crearon artificialmente un trímero en todas direcciones distintas. Luego notaron que, a diferencia de los dímeros, los trímeros podían responder a un campo magnético externo, mientras conservaban su configuración antiferromagnética colineal. A partir de entonces, el equipo analizó experimentalmente las firmas espectroscópicas resueltas por espín en busca de cadenas largas.

Trímeros de cromo (Cr) a lo largo de las direcciones [001], [11¯¯¯0] y [11¯¯¯1] en la superficie de niobio Nb(110). (A) Ilustración de los trímeros (topografía STM). (B) Espectros STS inelásticos experimentales de los trímeros a 1 T (líneas de colores). Las medidas del adatom de Cr único se muestran como referencia (líneas grises finas, véase también la Fig. 1). (C) Susceptibilidad magnética obtenida de TD-DFT a 5 T. Los espectros del átomo B en la dirección [11¯¯¯0] y en la dirección [001] están escalados por un factor de 10 y 30, respectivamente. Todos los espectros del trímero se desplazan verticalmente para mejorar la visibilidad. Los recuadros muestran las estructuras magnéticas obtenidas a partir de cálculos DFT no colineales autoconsistentes. Crédito: Avances científicos, DOI: 10.1126/sciadv.abi7291

Panorama

De esta manera, Sascha Brinker y sus colegas revelaron sistemáticamente las anomalías en las nanoestructuras de átomos de cromo (Cr) depositadas en la superficie de niobio metálico (Nb). Usando datos de espectroscopía de túnel de barrido inelástico (STS), revelaron una característica asimétrica de polarización cero de un solo paso, que se conservó pero que podía manipularse dependiendo de varios factores, incluida la fuerza de un campo magnético externo, el tamaño de la nanoestructura y su orientación espacial sobre el sustrato. La orientación espacial fue útil para diseñar el acoplamiento magnético entre átomos para que sea ferromagnético o antiferromagnético. El equipo rastreó estos resultados complejos utilizando simulaciones ab-initio para combinar teorías funcionales de densidad dependientes del tiempo y teorías de perturbación de muchos cuerpos, como se ve al construir el nanoobjeto con el estado magnético deseado. El trabajo proporciona nueva luz para interpretar anomalías de polarización cero y formar un nuevo camino para diseñar características de baja energía mediante la regulación de los espectros de excitación de espín en función de una estructura magnética subyacente.

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