量子自旋誘導的YSR多重態(tài)和量子相變研究取得進展
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超導體中的磁性雜質可引起庫伯對的散射,從而在能隙中形成Yu-Shiba-Rusinov(YSR)束縛態(tài)。理論上,關于這些束縛態(tài)的描述通常是基于經典自旋模型。實驗上,研究自旋的量子特性對YSR束縛態(tài)的影響至關重要,有助于更好地探討YSR束縛態(tài)中的量子多體問題,并對目前利用YSR束縛態(tài)構建新型拓撲超導態(tài)具有積極意義。
近日,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米真空互聯(lián)實驗站研究員李坊森等聯(lián)合清華大學物理系宋燦立、馬旭村和薛其坤研究團隊,在單晶富勒烯超導薄膜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誘導的YSR束縛態(tài)的磁場響應和空間分布進行實驗研究??蒲腥藛T觀察到這些量子自旋由于磁晶各向異性導致的YSR多重態(tài),并發(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YSR束縛態(tài)的典型特征。同時,通過研究這些YSR束縛態(tài)在外加磁場下的響應行為,科研人員厘清了這些高自旋磁性原子的量子基態(tài),并在實驗上觀察到Ni原子由單軸磁各向異性符號改變所誘導的宇稱守恒的量子相變。該實驗澄清了量子自旋的磁各向異性與YSR多重態(tài)之間的關系,為探究YSR束縛態(tài)中的量子行為奠定了實驗基礎。該成果有望為發(fā)展基于YSR束縛態(tài)的拓撲超導理論提供實驗參考和指南。
相關研究成果以Quantum spin driven Yu-Shiba-Rusinov multiplets and fermion-parity-preserving phase transition?in K3C60為題發(fā)表在《科學通報》(Science?Bulletin)上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、蘇州市基礎研究試點項目以及蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站等的支持。
Fe原子在K3C60超導薄膜中誘導的YSR多重態(tài)(左)以及它們的空間分布(右)