Single spin detection

רן סלם בהנחיית ישי מנסן

ESR-STM היא מערכת עם יכולת לזיהוי של ספין בודד1,2,3 העושה פרצסיה בנוכחות שדה מגנטי.

יכולת מערכת ה - STM להגיע לרזולוציה אטומית מנוצלת כדי לאתר ספינים בודדים. טיפ ה -  STM ימוקם מעל ספין שכזה בנוכחות שדה מגנטי,

מערכת רגישה של גילוי תדרי רדיו המורכבת ממערכת תיאום עכבה ,מגבר RF וSpectrum Analyzer מורכבת על הSTM

 ומאתרת את הרעש בזרם המינהור (tunneling),

בספקטרוסקופיית ESR מקרוסקופית ניתן לגלות פרצסיה של ווקטור מגנטיזציה המורכב מספר גדול של ספינים (1010 ),

אנו נוכיח כי באמצעות ESR-STM  ניתן לגלות ספין בודד העושה פרצסיה בתדירות  לרמור4.

 

תמונה  1 :סיגנל שהתקבל 1 ב - STM-ESR ע"י  Spectrum Analyzer השדה המגנטי מנודנד , וניתן לראות תלות של האות בשדה בזמן אמת .

 

מטרת המחקר :

1.                   הוכחה כי המערכת מודדת ספין בודד;

2.                   השגת מידע נוסף על אינטראקציות ספין- ספין (Dipolar , Exchange ,Kondo) .

 

השיטות לביצוע המחקר :

אנו נעבוד עם דוגמאות של חצאי מוליכים (3-5) בעיקר GaP שהוא בעל ה - band gap הגדול ביותר (מצב בו הספינים מאוד  ממוקמים),

את הGaP נשבור במערכת הואקום כך שנחשוף את המישור (110)  :

תמונה 2: GaP, 30x7nm2.

 

בתמונה ניתן לראות את סריג הגליום 5, לפיכך הפגמים  הנראים בסריג הם פגמים של הגליום. ע"י החלפת כיוון המתח המושרה נוכל לראות את סריג הפוספיד.

 בשלב זה ניתן לזהות בברור את הפגמים  במשטח,מתחת  לכל פגם יש אטום עם מספר אלקטרונים לא זוגי, ולכן יתפקד כספין פרמגנטי.

בשל היכולת לאתר את הפגמים הללו נוכל לבדוק אינטראקציות ספין - ספין.

בשלב מאוחר יותר נשתמש בדוגמאות של גדוליניום מנודף על משטח זהב, כאשר הגדוליניום, שהוא פרמגנטי, יתפקד בתור ספין מבודד על הזהב.

ע"מ לבדוק האם האות שמתקבל הוא אכן אות של ספין בודד נשוה אותו לאות המתקבל משני ספינים קרובים.

  השוואה זו מבוססת על העובדה כי שני ספינים קרובים מגיבים זה לזה. במרחקים מסדר גודל של 

3nm נצפה לראות הרחבה דיפולרית של האות6 מסדר גודל של 2m/r3 (כאשר m הוא בוהר -מגנטון)

ננסה לבדוק את התלות בשני גורמים:

א.      המרחק של הספינים;     

ב.       בזוית בין הווקטור המחבר בין הפגמים לבין השדה המגנטי, כאשר השדה מקביל למשטח.

במרחקים קטנים יותר אנו מצפים כי אנרגית השחלוף  (exchange)  תשלוט באינטראקציה ואז נראה היצרות של האות7 (Exchange narrowing),

 שוב נצפה לראות תלות של אינטראקצית השחלוף במרחק (Ruderman  Kittel Kasuya Yosida) .

כמו כן ניתן יהיה לקבל מידע על האינטראקציה בין הספין הקבוע במקומו לבין הconduction electrons (אפקט קונדו).

את התוצאות נשווה לסימולציה ממוחשבת שתדמה את החישובים התיאורטיים בנושא.

הצלחת המחקר תשפוך עוד אור על הנושא הסבוך של תכונות מגנטיות של חומרים  ואינטראקצית ספין ספין , כמו כן הוצעה השיטה כאפשרות למחשוב קוונטי8.

 

מקורות:

1. Y. Manassen, R. J. Hamers, J. E. Demuth and A. J. Castellano Jr. Phys Rev. Lett. 62, 2531 (1989).Y. Manassen, J. Magn. Reson. 126, 133  (1997).Y. Manassen,  I. Mukhopadhyay and N. Ramesh Rao, Phys. Rev. B 61, 16223 (2000).

2.  Colm Durkan and Mark E. Welland, Appl. Phys. Lett. 80, 458 (2002).

3. H. C. Manoharan, Nature 416 24 (2002).

4. A. V. Balatsky Y. Manassen and R. Salem Phil. Mag. B82,1291 (2002).

5. R. M. Feenstra, J. A. Stroscio, J. Tersoff and A. P. Fein, Phys. Rev. Lett. 58, 1192 (1987).

6. J.H. Van Vleck , Phis. Rev.74,1168(1948).

7. P.W. Anderson and P.R. Weiss, Rev. Mod. Phys. 25,269(1953).

8. G. P. Berman, G. W. Brown, M. E. Hawley and V. I. Tsiferinovich, Phys. Rev. Lett. 87, 097902-1 (2001).