Forschung

Die Austauschwechselwirkung zwischen einer magnetischen Verunreinigung und den Cooper-Paaren eines Supraleiters erzeugt einen gebundenen Zustand innerhalb der supraleitenden Energielücke – den sogenannten Yu-Shiba-Rusinov-Zustand. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) können wir diese Zustände untersuchen, ihre Energie kontrollieren, ihre räumliche Struktur abbilden und ihre Hybridisierung erforschen. Aufgrund ihres Potenzials für die Realisierung topologischer Supraleitung sind diese Zustände von besonderem Interesse. In unserer Gruppe wollen wir verstehen und gezielt steuern, wie diese Zustände mit ihrer Umgebung koppeln.

Übersichtsartikel: B.W. Heinrich, J.I. Pascual, K.J. Franke. Single magnetic adsorbates on s-wave superconductors. Progress in Surface Science, 93, 1 (2018). Link

Magnetfelder sind die naheliegende Wahl, um die Eigenschaften atomarer und molekularer Spinsysteme zu kontrollieren, da diese über den Zeeman-Effekt direkt mit dem Magnetfeld wechselwirken. Elektrische Felder bieten jedoch entscheidende Vorteile: Sie lassen sich auf atomarer Skala wesentlich einfacher steuern und räumlich begrenzen und werden durch die Geometrie der STM-Kontaktstelle intrinsisch verstärkt. Wir möchten daher verschiedene Wege erforschen, um elektrische Felder zur gezielten Kontrolle des Magnetismus auf atomarer Skala einzusetzen.

Die STM weist traditionell eine begrenzte Energieauflösung auf, bedingt durch die Fermi-Verbreiterung der Zustandsdichte der Spitze, während die Zeitauflösung durch die endliche Bandbreite der verwendeten Transimpedanzverstärker begrenzt ist. Wir setzen daher mehrere hochmoderne Techniken ein, um beide Auflösungsgrenzen zu überwinden. Durch die Kombination von STM mit Elektronenspinresonanz (ESR-STM) erreichen wir zunächst eine Energieauflösung im neV-Bereich. Die Zeitauflösung verbessern wir durch die Kombination von DC-Pump-Probe-Spektroskopie und stochastischer Resonanz, wodurch wir einen breiten Frequenzbereich erschließen und sowohl inkohärente als auch kohärente Dynamiken untersuchen können.

Literatur:
[1] S. Baumann, W. Paul, T. Choi, C.P. Lutz, A. Ardavan, A.J. Heinrich. Electron paramagnetic resonance of individual atoms on a surface. Science 350, 417-420 (2015). link

[2] S. Loth, M. Etzkorn, C.P. Lutz, D.M. Eigler, A.J. Heinrich. Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution. Science 329, 1628-1630 (2010). link

[3] N. Betz, G. McMurtrie, M. Hänze, V.K. Rajathilakam, L. Farinacci, S.N. Coppersmith, S. Baumann, S. Loth. Stochastic Resonance Spectroscopy: Characterizing Fast Dynamics with Slow Measurements. arXiv:2412.12647. link