Quantum sensing of individual atoms by a home-built scanning tunneling microscope with electron spin resonance capability

Abstract

Recently, interest in quantum information science and technology, and in quantum bits for quantum computing has dramatically increased all over the world. The desire to detect and coherently control individual spin centers led to scientific and engineering advances for the new era of quantum nanoscience. While the scanning tunneling microscopy (STM) has provided its sensitivity to the individual spin centers with unprecedented spatial resolution, its coherent controllability has been recently achieved by integrating it with electron spin resonance (ESR). In this thesis, I describe the design and performance of a home-built STM with ESR capability and its use to investigate coherent properties of single spins as well as two coupled spins with high energy resolution. In the first part of the thesis, I introduce the home-built ESR-STM stably operating in low-noise and low-temperature environment. It is achieved by utilizing two vibration isolation systems and a homemade Joule-Thomson refrigerator. For ESR measurements, two radio-frequency (RF) cabling schemes are introduced in the system: one connected to the STM tip and the other connected to a RF antenna. By optimizing designs of the antenna with several simulations in comparison with the tip as a RF transmitter, we could achieve the frequency window of our ESR-STM measurements up to 45 GHz. This development makes it possible to detect the coherent spin dynamics of single atoms on surfaces at elevated temperatures up to 10 K and explore a variety of materials with various magnetic properties. In the second part, I investigate an individual erbium (Er) atom on MgO/Ag(100) as a single atom qubit. A previous study of x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and atomic multiplet calculation revealed that Er has good magnetic properties as a qubit and it is expected to have a longer lifetime than other spin-1/2 systems such as 3d transition metal atoms. Here, I investigate the magnetic properties of Er by locating a hydrogenated titanium (Ti) atom as a sensor at different inter-atomic distances. Furthermore, an Er-Ti dimer in a 0.7-nm distance shows a strong coupling of about 3 GHz and allows us to detect the Er’s ESR transitions. Using a double electron-electron resonance scheme, I show that it is possible to drive and detect Er ESR through the Ti spin in the dimer. This work shows a great potential of Er as a single atom qubit.;최근 정보 저장 및 자기 기록 기술의 발전에서 단일 원자 혹은 분자 소자를 이용하여 구현하는 방식에 대한 관심이 높아지고 있다. 단일 원자의 직접적인 연구를 가능하게 한 주사 탐침 현미경에 전자 스핀 공명법을 합친 ESR-STM 기술은 단일 원자 혹은 분자 내의 스핀 제어 또한 가능하게 하였다. 본 학위 논문의 첫번째 부분으로, 직접 구축한 ESR-STM 장비를 소개하고자 한다. 위 장비는 제진 장치를 이용하여 효과적으로 진동 전달을 최소화하여 실험시 매우 낮은 노이즈 환경을 조성하였으며, 헬륨 가스 순환 장치를 만들어 매우 낮은 온도인 1.3 켈빈 온도를 가능하게 하였다. 전자 스핀 공명법을 위하여 터널 접합부에 마이크로파를 가하는 것은 필수적이다. 이러한 마이크로파를 보다 효과적이고 안정적으로 가하기 위하여, 새로운 안테나 구조를 다양한 시뮬레이션 결과와 함께 제안하고자 한다. 이러한 안테나는 실제로 보다 넓은 주파수 영역대를 제공하며 실험의 향상에 이바지하였다. 단일 수소화된 티타늄 원자 위에서 안테나 구조가 기존 사용되던 방식과 같은 방법으로 전자 스핀 공명을 끌어냄을 확인하였으며, 10 켈빈 온도에서도 스핀 상태가 측정 가능함을 보였다. 다음 부분에서는, 직접 구축한 장비를 이용하여 란탄 족 원소중 하나인 어븀이 단일 원자 큐비트로 사용 가능함을 확인하는 연구에 대하여 기술하였다. 앞선 XMCD, Multiplet calculation 연구 결과를 기반으로 하여, 어븀 원자의 자기적 특성을 파악하고 큐비트로서 스핀 제어가 가능한지 확인하였다. 이 실험은 어븀과 수소화된 티타늄 원자를 이용하여 만든 원자 구조체에서 진행되었으며, 원자 간 거리에 대해 변화하는 자기적 상호작용의 크기를 관찰하며 어븀 원자의 자기 모먼트를 구할 수 있었다. 또한, 자기장의 방향을 조절하며 어븀의 자기 이등방성 특성 또한 확인하였다. 더 나아가, 최근 대두된 큐비트 제어 기술인 Double electron-electron resonance (이하 Double resonance) 기술을 이용하여, 두 주파수 영역을 각각 터널 접합에 주입하여 각각의 스핀 상태를 제어함으로써 직간접적으로 어븀의 스핀 상태를 제어할 수 있음을 확인하였다. 이 연구를 통해 어븀 원자가 단일 원자 큐비트로 사용될 수 있는 가능성을 제시하였다.