The anisotropy of the electronic and hyperfine structure of a single atom on a surface

Abstract

Single spins in solid state have attracted attention as quantum information carriers, yet their fundamental quantum properties are influenced by the surrounding environment. The advent of Scanning Tunneling Microscopy (STM) combined with Electron Spin Resonance (ESR) leads to a significant progress in atomic-scale quantum science, allowing to characterize the electronic structure of single spins and their local environment with energy resolutions of nano electron-volt. In this work, I investigated single-atom ESR on a Ti atom on two monolayers of MgO/Ag(100) in a rotating magnetic field, and characterized the electron ground-state orbital with the anisotropic electron-nuclear interaction of the Ti atoms, in three-dimension. Measurements were performed using a home-built ESR-STM with a dilution refrigerator, which was developed and constructed during the track of this thesis. The comprehensive dataset contributed to understanding of the functional principles of ESR-STM. Our results illustrate the potential of single spins in advancing atomic-scale quantum science and their practical applications in quantum computation and atomic-scale quantum sensing.;고체 내 단일 원자스핀은 양자 정보 처리 및 저장 단위로서 큰 주목을 받아왔으나, 주위 환경과의 상호작용이 비교적 커서 스핀의 근본적인 양자 특성을 명확히 알기 어렵다는 문제가 있다. 전자스핀공명을 접목한 주사터널현미경 (Electron Spin Resonance Scanning Tunneling Microscopy, ESR-STM)이 등장함에 따라 나노전자볼트 (nano-electronvolt) 수준의 매우 높은 에너지 해상도로 표면 위 단일 스핀의 전자 구조와 그 주위 환경의 영향을 연구할 수 있게 되었으며, 원자 단위 양자 과학 분야의 발전에 크게 기여할 것이라고 기대되고 있다. 본 학위논문에서는 은 (Ag) 단결정 위 두 원자층 산화마그네슘 (MgO) 표면 위의 티타늄 (Ti) 단일 원자에 대해 2차원으로 자기장을 회전시키면서 원자의 전자스핀공명 신호를 측정하고 자기장 방향에 따른 신호의 동향을 분석했다. 이 연구를 통해 표면 위 티타늄 원자의 바닥 상태 전자 궤도와 전자-핵 초미세구조의 3차원 비등방성을 확인하고 정량적인 분석을 했다. 이 연구에서는 희석 냉각기 (Dilution Refrigerator)를 장착한 ESR-STM을 이용해서 실험을 진행하였고, 본 학위논문에서 실험 결과에 대한 설명에 앞서 장비의 구축 과정을 기술한다. 또한 전체 실험 결과를 통해 ESR-STM의 기능적 원리들도 추적할 수 있었다. 마지막으로, 본 연구를 통해 얻은 원자 단위 양자계에 대한 이해를 바탕으로 양자 계산 및 양자 센싱 분야에서의 활용 가능성과 전망을 제시한다.