Муаровая сверхрешетка помогла настроить спин атома железа

Немецкие физики продемонстрировали, что электронными и спиновыми свойствами атомов железа можно управлять в широком диапазоне, в зависимости от того, в каком месте муаровой сверхрешетки они размещены. Для создания такой сверхрешетки они использовали монослой дисульфида молибдена, нанесенный на золотую подложку. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем пишет Physics.

Уже несколько десятков лет ученые ищут идеальную физическую платформу для хранения квантовой информации, которая содержится в нужным образом сбалансированных квантовых состояниях. К физическим объектам, которые могли бы служить таким хранилищем, существует ряд требований, например, возможность манипуляции и контроля квантовым состоянием, а также его устойчивость.

В этом контексте довольно перспективно выглядят магнитные атомы, расположенные на ровной проводящей поверхности. В частности, к их спиновым состояниям легко получить доступ с помощью туннельных токов, создаваемых зондами микроскопов. К сожалению, атомы, помещенные на металлические поверхности (адатомы), страдают от преждевременной релаксации из-за утечки энергии и момента импульса на рождение электрон-позитронных пар и спин-спиновое рассеяние на электронах проводимости.

Оказалось, что с этими процессами можно бороться, располагая между атомом и металлом дополнительные слои. В этом случае взаимодействие спина адатома с проводящей поверхностью может быть модулировано муаровым узором, возникающим из-за разности структурных свойств металлического и буферного слоев. Сегодня физики продолжают поиск оптимальных комбинаций таких материалов и атомов, чтобы добиться максимально возможного контроля над спиновой когерентностью в этой схеме.

Одним их таких исследований стала работа группы Катарины Франке (Katharina Franke) из Свободного университета Берлина. Ученые выбрали в качестве металлической подложки слой золота, в качестве буферного слоя — дисульфид молибдена, а в качестве адатомов — атомы железа. Они показали, что в такой комбинации можно добиться высокого контраста в силе спиновой связи атома с электронами проводимости в зависимости от того, в максимуме или минимуме муарового узора он расположен.

Для этого физики взяли чистую ровную золотую подложку с ориентацией (111), осадили на нее атомы молибдена, после чего произвели отжиг образца в атмосфере сероводорода при температуре 800 кельвин и давлении 10^-5 миллибар. В результате на поверхности золота появились острова дисульфида молибдена, куда авторы помещали атомы железа при температуре, не превышающей 10 кельвин. Различие в структурных константах слоев дисульфида молибдена и золота приводило к появлению муаровой модуляции плотности электронных состояний с периодом 3,3 нанометра.

Полученный образец и свойства атомов железа физики исследовали с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии при температуре 1,1 кельвин. В частности, они располагали железо в различных участках муаровой сверхрешетки и снимали для каждого случая туннельный спектр проводимости. Оказалось, что свойства адатомов существенно меняются по мере перехода от минимума к максимуму узора. Так, если для атома железа, размещенного в минимуме, спектр содержал провал с резкими границами на ±2,7 милливольт, то при удалении от него спектр усложнялся, превращаясь в асимметричный пик Фрота в точке максимума.

Для объяснения полученных спектров физики проанализировали электронную структуру атомов железа и описали их магнитное взаимодействие. Так, для случая минимума электроны достаточно было описывать распределением Ферми-Дирака с шириной ступени, равной 0,45 миллиэлектронвольт. Эта величина оказалась больше, чем уширение, вызванное ненулевой температурой, а потому позволило оценить нижнюю границу времени жизни спинового состояния, равного одной пикосекунде. Это время существенно превысило таковое для образцов без буферного слоя.

Описание спектров вне минимума потребовало учета обменного взаимодействия, потенциала рассеяния и уменьшения анизотропии. Для небольших отклонений достаточно было использовать теорию возмущений, в то время как ближе к максимуму физики использовали полноценную теорию, развитую для описания резонанса Кондо.

Авторы также сняли спектры с точек, лежащих в окрестности атома железа. Подгон теоретических формул под экспериментальные графики позволил им извлечь величину потенциала рассеяния для каждой точки и построить соответствующую карту. Сложную форму спектральных линий физики объяснили квантовой интерференцией между различными каналами туннелирования электронов от зонда к подложке: напрямую и через различные электронные орбитали адатома.

Сильная связь, которая возникает между магнитными моментами примеси и электронов проводимости в твердых телах, отвечает за возникновение резонанса Кондо. Мы уже писали, как в таком режиме физики обнаружили тяжелые фермионы в тонких вандерваальсовых гетероструктурах.

Марат Хамадеев