表面态对近藤效应的调控:实验和理论研究

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在凝聚态物理中,近藤效应由于其电子关联现象而被广泛研究。它描述了磁性杂质在非磁宿主中与周围传导电子发生自旋相关的相互作用。在低温下,一个多体非磁单态会形成,在宿主电子的费米能级附近产生一个谱特征,即近藤或Abrikosov-Suhl共振。现在,这个共振能用低温扫描隧道谱很方便地探测,并且可以实现单个原子或分子的探测。其中,有一个特征温度叫做近藤温度(TK),它与费米能处态密度ρ(EF)和交换常数J有关。当有表面态穿过费米能时,它也被期望会对TK有影响。然而,关于表面态是否且怎么影响TK仍处于激烈的争论中。通过利用低温扫描隧道显微镜并结合原子操纵术,我们对Co单体在Ag(1 11)表面的近藤共振进行了系统的研究,并且找到强有力的证据表明表面态的确影响近藤温度。Co吸附原子近藤温度的振荡幅值在以下三种情形依次增加:(i)放在另一个Co原子附近;(ii)在台阶边附近;(iii)量子限制在纳米围栏内。我们的发现能用一个解析模型来理解,在该模型中体态和表面态的贡献是以它们分别与Co吸附原子之间的交换值Jb和Js来计权重的。利用该模型得到的Jb和Js在三种情形下是一致的。我们的发现也表明通过对表面态局域态密度的局域改变可以实现对近藤效应的调控。与之前的方法相比,在我们的方法中近藤效应可以被连续大幅度的调控,因而为自旋电子学和基于自旋的量子信息处理提供了一个新的研究方向。我们的实验观测表明Co原子放置搭建在Ag(111)表面上的纳米围栏中心,其近藤温度作为围栏半径的函数而强烈振荡。对这个效应的理解需要一个理论方法能处理包含多个吸附原子的近藤效应。为了能够处理多个吸附磁性杂质吸附在贵金属表面的复杂情形,我们构造了一个基于安德森杂质模型的强弱耦合极限理论方法。该方法的主要思想是,在表面上的多个吸附原子间的耦合可以通过重整化得到。我们的计算不仅能重现近藤共振宽度作为围栏尺寸的振荡行为,并且还预测了它也将作为到围栏中心间距的函数振荡。我们进一步进行了低温扫描隧道谱测量,发现能和预测一一对应起来。理论和实验之间符合得很好,表明我们的方法对包含多杂质的近藤问题是有效的。
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