Growth and electronic properties of YPc2 qubit candidate on Cu(111) investigated with scanning tunneling microscopy

Abstract

Molecule-based spin architectures have been proposed as platforms for quantum computing with plentiful benefits. As one potential spin qubit candidates, Yttrium phthalocyanine double-decker (YPc2) is characterized by a diamagnetic metal ion core that stabilizes the molecular structure, and at the same time its magnetic properties are mainly associated with the presence of an unpaired electron (S=1/2) delocalized on the Pc organic ligand. In addition, this molecule is generally found to adsorb flat and self-assemble on single-crystal surfaces. These properties make YPc2 a promising system for realizing two-dimensional qubit architectures. This thesis is part of a research project that aims to understand the spin properties of these molecules in suitable metal-organic heterostructures using a combination of scanning tunneling microscopy (STM), electron spin resonance (ESR), and other surface characterization. In this thesis, we focused on the characterization of the morphology and electronic properties of these molecules deposited on surfaces. We first investigated the surface of Cu(111) film on sapphire, which is the substrate used to perform surface-ensemble ESR, a technique developed in our group to assess the potential of molecular spin qubits at surfaces. Then we characterized the adsorption of YPc2 on Cu(111) and YPc2 on ZnPc/Cu(111) and the related electronic properties. Auger electron spectroscopy (AES) indicates that the chemical composition of the molecules does not change upon surface adsorption. Scanning tunneling microscopy performed at low temperature allows us to determine the orientation and organization of the molecules at the surface. In addition, we mapped the electronic configuration of the YPc2 molecule and its interaction with ZnPc and the Cu(111) surface. Our study validates the possibility of integrating this molecular spin qubit candidate in future quantum logic devices.;분자 기반 스핀 시스템은 많은 이점을 가진 양자컴퓨팅 플랫폼 중 하나로서 여겨져왔다. Yttrium phthalocyanine double decker(YPc2)는 스핀 큐비트 후보로서, 반자성 금속 이온을 중심으로 구조가 안정화되며 Pc리간드 쪽에 홀전자(S=1/2)가 분자의 자기적 성질에 관여한다. 또한, 이 분자는 일반적으로 단결정 표면에서 평평하게 흡착되고, 자기-조립 (self-assembly)하는 것으로 알려져 있다. 이러한 특성 덕분에 YPc2는 2차원 큐비트 구조를 실현할 수 있는 유망한 시스템이 된다. 본 논문은 주사터널링현미경 (STM), 전자스핀공명(ESR), 및 기타 표면 특성 분석을 결합하여, 적절한 금속-유기 헤테로 구조에서 분자의 스핀 특성을 이해하는 것을 목표로 하는 연구 프로젝트의 일환이다. 그 중에서도 이 논문은 STM을 이용하여 표면에 흡착된 YPc2 분자의 형태와 전자적 특성 연구하는 것에 중점을 두고 있다. 표면 위 분자 스핀 큐비트의 적합성을 시험하기 위해, 우리 팀은 표면-앙상블 전자스핀공명 (SE-ESR)기술을 개발해왔다. 따라서 이를 수행하는 데 사용되는 기판인 사파이어 위에 있는 Cu(111) 필름 표면에 대해 조사하였다. 이어서 저온 STM 측정을 통해 Cu(111) 표면에 흡착된 YPc2 분자의 방향과 배열을 확인하고, YPc2 분자의 전자적 특성과 YPc2의 ZnPc 또는 Cu(111) 표면과의 상호작용을 규명했다. 또한, 오제 전자 분광법(AES)을 통해 YPc2 분자가 표면 흡착 시 분자의 화학적 조성이 변하지 않는다는 결과를 얻었다. 따라서 본 연구는 YPc2 가 분자 스핀 큐비트 후보로서 미래의 양자 논리 장치(Quantum logic device)로 활용될 잠재성을 보여준다.