原子制造的量子磁体及其反常激发

　　Nb（110）表面不同外加磁场下Cr吸附原子的非弹性扫描隧道光谱（STS）指纹图。（A） 吸附原子的实验形貌图像。（B和C）实验dI/dU和d2I/dU2谱，I=3na，T=600mk。（D）由TD-DFT得到的自旋翻转激发密度。（E） 理论非弹性STS谱对应于MBPT的重整化局部态密度，在adatom上方4.7ï处计算。（F） 类似于（E）的自旋分辨理论谱。不同的场相关光谱被转移以提高可见度。来源： 科学进步， DOI:10.1126/sciadv。abi7291标准
　　量子磁体可以通过高分辨率光谱研究来获得磁动力学量，包括能垒、磁相互作用和激发态寿命。在一份新的报告中 科学进步 ，Sascha Brinker和一个德国的高级模拟和微观结构物理学的科学家团队研究了一种以前未被探索的低能量自旋激发的味道，用于耦合到电子浴中的量子自旋。该团队结合了含时和多体微扰理论以及与磁场相关的隧穿光谱来识别纳米结构的磁状态，并对铁磁和反铁磁相互作用的结果进行了合理化。原子制造的纳米磁铁吸引着人们去探索电泵自旋系统.
　　反常磁动力学
　　原子尺度的磁动力学是基于自旋的纳米器件的基石，在未来的信息技术中有着广泛的应用。局域自旋态的相互作用对决定其性质的局域环境也起着至关重要的作用。研究人员描述了轨道杂化效应、电荷转移和附近杂质的存在对磁性基态的强烈影响，以确定一系列磁动力学性质，包括磁各向异性、自旋寿命和自旋弛豫机制实验方法可以直接捕捉到这些性质，并在亚纳米尺度上分析经典和半经典描述的磁性现象，以揭示精细的出现量子力学效应这些成果可以促进对经典计算方案的理解，为测试思想和概念设定速度，直接影响创新基于自旋的量子计算方案在这项工作中，Brinker等人讨论了围绕费米能量铬单原子与金属铌偶联。团队随后还描述了近藤效应由于主金属电子与磁性杂质之间的量子力学相互作用，在磁性杂质周围产生局部电荷和自旋变化；在许多物体物理学中有意义的现象，但在技术上的重要性有限。
　　Nb（110）表面上沿[001]、[11″″0]和[11″″1]方向的Cr二聚体的理论和实验非弹性STS指纹。（A） 二聚体（STM地形图）及其基态磁性结构的图解。由非共线计算得到了自洽的非共线结构。（B） 二聚体的实验非弹性STS光谱，I=3Na，T=600MK（彩色线）。单个铬原子上的测量值显示为参考（细灰色线；另请参见图1）。不同的光谱被垂直移动以提高能见度。（C） 从TD-DFT获得的磁化率。[001]和[11 1]二聚体的光谱分别按50和2的因子进行缩放。来源： 科学进步， DOI:10.1126/sciadv。abi7291标准
　　吸附原子
　　研究小组描述了样本原子的磁场及其演化过程吸附原子通过制造原子制造的铁磁和反铁磁纳米结构来耦合。吸附原子或吸附原子是位于晶体表面并与表面空位相反的原子。利用第一性原理模拟，Brinker等人随后确定了自旋激发的聚合光谱表现。而研究人员之前薄绝缘基板，研究小组在这里探索金属基底来设计由几个交换耦合的铬原子组成的反铁磁或铁磁磁体。作为一个典型的平台，他们研究了与铌（Nb）表面耦合的铬（Cr）原子，并根据对以前的研究在冷基片上直接沉积单Cr原子。然后他们调节这些原子，用一个与周围环境很好隔离的铬原子形成纳米结构原子这种装置允许他们分析耦合到电子槽的局部磁矩的影响，同时排除附近的adatoms。团队获得光谱数据通过将尖端直接定位在铬原子的正上方，并利用实验过程，他们测量了光谱数据的演变和激发的磁起源，同时探索了激发的起源异常光谱特征.与沉积在绝缘体上的原子相比，金属上的磁矩经历了包括磁各向异性在内的附加效应，塞曼能源以及磁交换相互作用。该模型解释了与能量转移和加宽相关的所有实验趋势，并允许科学家使用从头算模拟结果强调了实验的局限性，解释了识别类似的自旋激发光谱的困难，例如，铜和银表面的钴，与铌上的铬相比，如本研究所见。
　　沿[001]在七个原子链上获得的自旋极化STS。（A） 通过将尖端定位在链上每个吸附原子的顶部来收集光谱数据（见数字）。实验数据揭示了反铁磁耦合的存在。（B） 比较相邻原子[3和4 in（A）]上获得的STS光谱，突出相反的自旋对比。在5t下用Cr端接探针进行了测量。稳定参数=V 10 meV，I=3 nA，调制Vrms=200μV。来源： 科学进步， DOI:10.1126/sciadv。abi7291标准
　　二聚体和三聚体到长链
　　Brinker等人通过使用原子操纵方法在铌表面上人工制造沿不同晶体方向定向的磁性二聚体，进一步研究了实验数据的一致性。为了证实由二聚体的自旋矩触发的不同的自旋激发光谱的结果，科学家们在所有不同的方向上人工制造了一个三聚体。他们接着指出，与二聚体不同，三聚体可以对外部磁场作出反应，同时保持其共线反铁磁构型。此后，研究小组实验性地研究了长链的自旋分辨光谱特征。
　　铌铌（110）表面上沿[001]、[11″″0]和[11″″1]方向的铬（Cr）三聚体。（A） 三聚体示意图（STM地形图）。（B） 三聚体在1t处的实验非弹性STS谱（彩色线）。单个铬原子上的测量值显示为参考值（细灰色线，另请参见图1）。（C） 在5T下从TD-DFT获得的磁化率。B原子在[11 0]方向和[001]方向的光谱分别按系数10和30缩放。所有的三聚体光谱都被垂直移动以提高能见度。插图显示了自洽非共线DFT计算得到的磁性结构。来源： 科学进步， DOI:10.1126/sciadv。abi7291标准
　　见解
　　就这样，Sascha Brinker和他的同事系统地揭示了沉积在金属铌（Nb）表面的铬（Cr）原子纳米结构的异常。非弹性使用扫描隧道谱（STS）数据，他们揭示了一种不对称的，单步的零偏压特性，这种特性被保留下来，但可以根据几个因素进行操作，包括外部磁场的强度、纳米结构的尺寸及其在衬底上的空间取向。空间取向有助于原子间磁耦合的铁磁或反铁磁耦合。研究小组通过从头算模拟来跟踪这些复杂的结果时变密度泛函和多体微扰理论，通过构建具有所需磁状态的纳米物体可以看出。这项工作为解释零偏压异常提供了新的思路，并通过调整基于底层磁结构的自旋激发光谱，形成了一条新的途径来设计低能特征。