蘇州納米所Nano-X李坊森等合作在量子自旋誘導(dǎo)的YSR多重態(tài)和量子相變研究方面取得進(jìn)展
超導(dǎo)體中的磁性雜質(zhì)可以引起庫伯對的散射,從而在能隙中形成Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 束縛態(tài)。在理論上,對于這些束縛態(tài)的描述通?;诮?jīng)典自旋模型,此模型最早由我國科學(xué)家于淥院士、日本科學(xué)家H. Shiba和前蘇聯(lián)科學(xué)家A. L. Rosinov在上世紀(jì)60年代獨(dú)立提出。在實(shí)驗(yàn)上,研究自旋的量子特性對YSR束縛態(tài)的影響至關(guān)重要,它不僅有助于更好地理解YSR束縛態(tài)中的量子多體問題,而且對于目前利用YSR束縛態(tài)構(gòu)建新型拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)具有重要意義。

圖1.?Fe原子在K3C60超導(dǎo)薄膜中誘導(dǎo)的YSR多重態(tài)(左)以及它們的空間分布(右)
最近,中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站李坊森等與清華大學(xué)物理系宋燦立、馬旭村和薛其坤研究團(tuán)隊(duì)合作,在單晶富勒烯超導(dǎo)薄膜K3C60表面制備了自旋分別為S?= 5/2,S?= 2 和S?= 1的三種磁性原子Fe、Cr和Ni,并利用高分辨極低溫的掃描隧道顯微譜對它們所誘導(dǎo)的YSR束縛態(tài)的磁場響應(yīng)和空間分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他們觀察到了這些量子自旋由于磁晶各向異性導(dǎo)致的YSR多重態(tài),并首次發(fā)現(xiàn)這些YSR多重態(tài)具有相同的空間分布,屬于量子自旋誘導(dǎo)YSR束縛態(tài)的典型特征(如圖1所示)。同時(shí),通過研究這些YSR束縛態(tài)在外加磁場下的響應(yīng)行為(能級(jí)移動(dòng)或者劈裂),他們進(jìn)一步厘清了這些高自旋磁性原子的量子基態(tài),并在實(shí)驗(yàn)上首次觀察到Ni原子由單軸磁各向異性符號(hào)改變所誘導(dǎo)的宇稱守恒的量子相變。他們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)澄清了量子自旋的磁各向異性與YSR多重態(tài)之間的關(guān)系,對深入探究YSR束縛態(tài)中的量子行為提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。該研究成果有望為發(fā)展基于YSR束縛態(tài)的拓?fù)涑瑢?dǎo)理論提供重要的實(shí)驗(yàn)參考和指南。實(shí)驗(yàn)得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)的大力支持。

圖2.?Fe原子在K3C60超導(dǎo)薄膜高分辨STM圖和誘導(dǎo)的高能量分辨YSR多重態(tài)隧穿譜
該研究成果以Quantum spin driven Yu-Shiba-Rusinov multiplets and fermion-parity-preserving phase transition in K3C60為題發(fā)表在Science?Bulletin上。以上成果的通訊作者為中國科學(xué)院蘇州納米所李坊森項(xiàng)目研究員,清華大學(xué)宋燦立教授和清華大學(xué)薛其坤教授。該工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、清華大學(xué)低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心、蘇州市基礎(chǔ)研究試點(diǎn)項(xiàng)目和中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站等經(jīng)費(fèi)支持。
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