Tuning atomic scale magnetism with artificial nanostructures
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-06-14
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
59 + app. 32
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 119/2024
Abstract
In a world where the demand for quantum technology is rapidly increasing, scanning tunneling microscopy (STM) remains one of the few experimental techniques capable of not only imaging and measuring atomic scale systems, but assembling artificial nanostructures and lattices at atomic precision. The emergent properties of increasingly complex quantum systems can be designed and characterised by assembling structures from individual atoms and molecules. Some of the most interesting building blocks for such lattices have magnetic properties: by coupling spin systems into lattices, a rich tapestry of physics becomes accessible for experimentation and applications. Despite the promising theoretical predictions, the interplay of artificial nanostructures and atomic-scale magnets remains relatively unexplored. This thesis discusses recent experimental efforts to understand magnetic impurities coupled to a conduction bath, how machine learning techniques can be utilized in atom manipulation, and finally the behaviour of magnetic impurities inside artificial nanostructures. A magnetic impurity coupled to a conduction bath gives rise to the Kondo effect, whereby the magnetic moment of the impurity is screened by conduction electrons. This many-body effect results in a resonance with an intrinsic temperature dependence. We experimentally verify a new model for this temperature dependence, and demonstrate the importance of various broadening factors in the analysis of the spectral features. Our work provides a widely applicable model for verifying the Kondo nature of a resonance at the Fermi level, and how to accurately determine the energy scale determining the low-temperature dynamics of such systems, i.e. the Kondo temperature. We then proceed to explore how deep reinforcement learning (DRL) methods can be applied to lateral atom manipulation. A DRL algorithm is designed and trained to find suitable manipulation parameters for moving Ag and Co atoms on a Ag(111) surface. The trained model is capable of adjusting to changing conditions, and combined with path planning algorithms forms the basis for an autonomous nanostructure assembly system.Finally, we combine Kondo systems and atom manipulations by studying magnetic impurities inside quantum corrals, closed structures built from individual atoms. By confining the surface state electrons of the underlying Ag(111) substrate, we tune the conduction bath environment of Co atoms and H2-Pc molecules and observe changes in their low-energy excitations. The presented results pave the way for further studies combining magnetic impurities and artificial lattices built atom by atom.Kvanttiteknologian tarpeen kasvaessa tunnelointimikroskopia on yksi harvoista kokeellisista tekniikoista, joilla atomimittakaavan systeemeitä voidaan paitsi kuvantaa ja mitata, myös rakentaa yksittäisistä atomeista keinotekoisia nanorakenteita. Yhä monimutkaisempien kvanttisysteemien emergenttejä ominaisuuksia voidaan suunnitella ja tutkia rakentamalla keinotekoisia rakennelmia yksittäisistä atomeista tai molekyyleistä. Kiinnostavimmat rakennusmateriaalit tällaisiin rakennelmiin ovat magneettisia: kytkemällä spin-systeemejä hiloiksi voidaan tutkia runsaasti erilaista fysiikkaa perustiedettä ja sovelluksia varten. Lupaavista teoreettisista ennusteista huolimatta keinotekoisten nanorakenteiden ja atomimittakaavan magneettien vuorovaikutusta on toistaiseksi tutkittu suhteellisen vähän. Tässä väitöskirjassa käsitellään viimeaikaisia kokeita liittyen magneettisten epäpuhtauksien ja johtavuusvyön kytkentään, koneoppimisen hyödyntämiseen atomimanipulaation automatisoinnissa, sekä magneettisten epäpuhtauksien ominaisuuksiin keinotekoisten nanorakenteiden sisällä. Magneettinen epäpuhtaus kytkettynä johtavuusvyöhön johtaa Kondo-ilmiöön, jossa epäpuhtauden magneettinen momentti peittyy johtavuusvyön elektronien sironnan vaikutuksesta. Tämä monihiukkasilmiö johtaa resonanssiin, jonka energialeveydellä on ominainen lämpötilariippuvuus. Tutkimme kokeellisesti tätä lämpötilariippuvuutta kuvaavaa uutta mallia ja osoitamme, kuinka oleellista erilaisten signaalia leventävien tekijöiden huomiointi on johtavuusspektrejä analysoitaessa. Työmme toimii yleispätevänä mallina matalaenergisten resonanssien Kondo-luonteen varmistamiselle, sekä näyttää kuinka systeemin matalan lämpötilan käytöstä määräävä Kondo-lämpötila määritetään tarkasti. Tämän jälkeen selvitämme kuinka syviä vahvistusoppimismenetelmiä (deep reinforcement learning, DRL) voidaan soveltaa atomien sivuttaismanipuloinnissa. DRL-algoritmi suunnitellaan ja koulutetaan löytämään sopivia manipulointiparametreja koboltti- ja hopea-atomien siirtelyyn Ag(111)-pinnalla. Koulutettu malli pystyy mukautumaan muuttuviin mittakärki- ja meluolosuhteisiin, ja yhdistettynä polkuoptimointialgoritmeihin muodostaa pohjan autonomiselle nanorakentamisjärjestelmälle. Lopuksi tuomme Kondo-systeemit ja atomimanipulaation yhteen tutkimalla magneettisia epäpuhtauksia kvanttiaitauksissa, yksittäisistä atomeista rakennetuissa suljetuissa rakennelmissa. Rajaamalla Ag(111)-pinnan pintatilan elektroneita aitauksiin säädämme johtavuuselektronien ympäristöä kobolttiatomien ja H2Pc-molekyylien ympärillä, ja havaitsemme tästä johtuvia muutoksia matalan energian spektreissä. Esitetyt tulokset raivaavat tietä jatkotutkimuksille, joissa magneettisia epäpuhtauksia käytetään keinotekoisten hilojen rakennusmateriaaleina.Description
Supervising professor
Liljeroth, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Kezilebieke, Shawulienu, Prof., University of Jyväskylä, FinlandKeywords
scanning tunneling microscopy, atom manipulation, Kondo effect, quantum corrals, tunnelointimikroskopia, atomimanipulaatio, Kondo-ilmiö, kvanttiaitaukset
Other note
Parts
- [Publication 1]: Elia Turco, Markus Aapro, Somesh C. Ganguli, Nils Krane, Robert Drost, Nahual Sobrino, Annika Bernhardt, Michal Juríček, Roman Fasel, Pascal Ruffieux, Peter Liljeroth, David Jacob. Demonstrating Kondo behaviour by temperature-dependent scanning tunneling spectroscopy. Accepted for publication in Physical Review Research, April 2024
-
[Publication 2]: I-Ju Chen, Markus Aapro, Abraham Kipnis, Alexander Ilin, Peter Liljeroth, Adam S. Foster. Precise atom manipulation through deep reinforcement learning. Nature Communications, Volume 13, issue 1, article number 7499, December 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202212146936DOI: 10.1038/s41467-022-35149-w View at publisher
-
[Publication 3]: Markus Aapro, Abraham Kipnis, Jose L. Lado, Shawulienu Kezilebieke, and Peter Liljeroth. Tuning spinaron and Kondo resonances via quantum confinement. Physical Review B., 109, 195415, April 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202405223498DOI: 10.1103/PhysRevB.109.195415 View at publisher