扫描隧道显微镜中电子自旋共振的理论
介观与纳米尺度物理
2024-04-01 v1
摘要
扫描隧道显微镜中的电子自旋共振谱学使得以前所未有的能量分辨率探测表面单个磁性原子和分子的电子结构成为可能，并展示了单自旋的相干操控。尽管取得了显著成功，但对ESR-STM物理机制的更定量理解仍可极大推动该领域发展。本文提出了ESR-STM的理论，该理论不仅定量模拟了ESR信号本身，还模拟了导出ESR信号的完整背景隧穿电流。我们的理论基于格林函数技术描述电子隧穿，以及描述自旋系统动力学的量子主方程，同时考虑微波辐射与隧穿电流和自旋系统的相互作用。我们证明该理论能够定量复现自旋1/2系统（MgO上的TiH分子）在多个数量级隧穿电流下的实验结果，从而获得由内在机制和施加偏压决定的自旋动力学弛豫和退相干速率。更重要的是，我们的工作确立了：(i) 可观的ESR信号（衡量微波诱导的结磁电阻变化）需要出乎意料高的针尖自旋极化；(ii) 磁化动力学与微波场的耦合导致了该谱学中常观察到的不对称ESR谱。此外，我们的理论对弛豫和退相干时间随偏压和针尖-样品距离的依赖性提供了非常具体的预测。最后，借助电磁模拟，我们发现ESR-STM实验中的跃迁可由结处的交流磁场驱动。
引用
@article{arxiv.2403.20247,
title = {Theory of Electron Spin Resonance in Scanning Tunneling Microscopy},
author = {Christian R. Ast and Piotr Kot and Maneesha Ismail and Sebastián de-la-Peña and Antonio I. Fernández-Domínguez and Juan Carlos Cuevas},
journal= {arXiv preprint arXiv:2403.20247},
year = {2024}
}
备注
17 pages, 6 figures