Magnetic Behavior of Cobalt Atoms at Long Copper Chains Studied with Scanning Tunneling Microscopes

Over the last decades, with the help of low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS), the magnetic and electronic properties of magnetic atoms were studied on metal substrates and insulating layers. Depending on the underlying substrates, scientists were able to focus on their physical phenomenon of interest. When a magnetic atom is in direct contact with a metallic substrate, its interaction with the bath of conduction electrons of the host metal leads to many-body quantum effects such as the Kondo effect. Several experiments were performed to study the evolution of the Kondo effect with changing the atomic environment of a localized spin. Despite the great results obtained from these experiments, a fully understood picture still remains a challenge. A practical way to simplify the study of adatoms on solids is to reduce the interaction of the deposited atom with the conduction electron bath by an insulating layer. Using decoupling layers such as Cu2N, Al2O3, and MgO the magnetic behavior of Fe, Mn, and Co adatoms were studied. Obtaining a large magnetic anisotropy energy (MAE) for these systems was a great achievement to tailor magnetism in the smallest levels. However, still one of the challenging tasks in magnetism is maximizing the MAE for transition metal systems. In this work, by using the ability of STM to create dislocations in crystals, the difficult and time-consuming procedure of fabricating nano-structures by atom manipulation has been avoided. Long Cu chains up to 200 nm were fabricated and used to study the Kondo effect of Co adatom. By attaching Co atom to a monatomic Cu chain, its asymmetric Kondo resonance altered to a resonance symmetric with respect to Fermi energy. Further study of the observed symmetric resonance in the presence of an external magnetic field revealed its inelastic excitation origin. By choosing a proper atomic environment for Co adatoms, we were able to modify its quenched orbital momentum, demonstrate the effect of the spin-orbit coupling on its energy spectrum and obtain a noticeable MAE. Moreover, among the fabricated dislocations, we also observed chains and vacancy lines with different widths. They provided the opportunity to study the apparent tunneling barrier height (Φapp) in scanning tunneling microscopy. The variation of experimental Φapp for these nano-structures was not as expected by theory. A kinetic energy contribution to the tunneling process is proposed to be the reason of the unexpected experimental Φapp trend. Furthermore, by means of atom manipulation and STS, the role of surface state electrons in the Kondo effect of Co adatoms has been investigated; a topic with contradictory experimental observations. Using a step edge of a crystal to modulate the surface local density of states, we observed a negligible variation of the Kondo resonance width. This shows a minor role of surface state electrons in this many-body process.

In den letzten Jahrzehnten wurden mit Hilfe der Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskopie (STM) und der Rastertunnelspektroskopie (STS) die magnetischen und elektronischen Eigenschaften magnetischer Atome auf Metallsubstraten und Isolierschichten untersucht. In abhängig der zugrunde liegenden Substrate konnten sich die Wissenschaftler auf die sie jeweils interessierenden physikalisches Phänome konzentrieren. Wenn ein magnetisches Atom in direktem Kontakt mit einem metallischen Substrat steht, führt seine Wechselwirkung mit dem Bad der Leitungselektronen des Wirtsmetalls zu Vielteilchen-Quanteneffekten wie dem Kondo-Effekt. Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um die Entwicklung des Kondo-Effekts bei Veränderung der atomaren Umgebung eines lokalisierten Spins zu untersuchen. Trotz der herausragenden Ergebnisse dieser Experimente bleibt ein vollständig verstandenes Bild eine Herausforderung. Eine gängige Methode, um die Untersuchung von Adatomen auf Festkörpern zu vereinfachen, besteht darin, die Wechselwirkung des abgeschiedenen Atoms mit den Leitungsbandelektronen durch eine Isolierschicht zu reduzieren. Mit Entkopplungsschichten wie Cu2N, Al2O3 und MgO wurde das magnetische Verhalten von Fe-, Mnund Co-Adatomen untersucht. Eine großen magnetische Anisotropieenergie (MAE) für diese Systeme zu erhalten, war eine große Errungenschaft, um den Magnetismus auf kleinstem Niveau zu kontrollieren. Eine der herausfordernden Aufgaben im Magnetismus ist jedoch die Maximierung der MAE für Übergangsmetallsysteme. In dieser Arbeit wurde durch Nutzung der Möglichkeit, mit einem STM Versetzungen in Kristallen zu erzeugen, das schwierige und zeitaufwendige Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen durch Atommanipulation vermieden. Lange CuKetten bis zu 200 nm wurden hergestellt und verwendet, um den Kondo-Effekt von Co-Adatom zu untersuchen. Durch die Bindung des Co-Atoms an eine einatomige Cu-Kette änderte sich seine zuvor asymmetrische Kondo-Resonanz in eine spektrale Signatur, die in Bezug auf die Fermi-Energie symmetrisch ist. Weitere Untersuchungen der beobachteten symmetrischen Resonanz in Gegenwart eines externen Magnetfelds ergaben, dass diese eine inelastische Anregung darstellt. Durch Auswahl einer geeigneten atomaren Umgebung für Co-Adatome konnten wir das durch die Oberfläche reduzierte Orbitalmoment modifizieren, den Effekt der SpinOrbit-Wechselwirkung auf das Energiespektrum demonstrieren und eine messbare MAE erhalten. Darüber hinaus beobachteten wir bei den hergestellten Versetzungen auch Ketten und Gräben mit unterschiedlichen Breiten. Sie boten die Möglichkeit, die scheinbare Tunnelbarrierenhöhe (Φapp) in der Rastertunnelmikroskopie zu untersuchen. Die Variation der experimentellen Φapp für diese Nanostrukturen war theoretisch nicht erwartet. Ein kinetischer Energiebeitrag zum Tunnelprozess wird als Grund für den unerwarteten experimentellen Befund vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde mittels Atommanipulation und STS die Rolle von Elektronen im Oberflächenzustand beim Kondo-Effekt von Co-Adatomen untersucht; ein Thema mit bisher widersprüchlichen experimentellen Beobachtungen. Unter Verwendung einer Stufenkante eines Kristalls zur Modulation der lokalen Zustandsdichte der Oberfläche beobachteten wir eine vernachlässigbare Variation der Breite der KondoResonanz. Dies zeigt eine untergeordnete Rolle der Elektronen im Oberflächenzustand an diesem Vielteilchenprozess.

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