Magnetic Impurities on a Superconductor: from Single Atoms to Coupled Chains

Abstract

Motivated by one of the most intriguing devices in modern technology, the quantum computer, we investigate the interplay between magnetism and conventional superconductivity on the nano-scale. The inherent contradiction at the interface — magnetic versus superconducting order — promises topological edge states at the boundaries of the system. Moreover, these states may provide a stable system immune to quantum decoherence which is a prerequisite on the long term to bring quantum computation from the lab to a broad range of applications. We study here the coupling of magnetic impurities on a conventional superconductor by means of low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). This work comprises experiments that start with the bare superconducting substrate, and end at one-dimensional magnetic chains of nano-meter length scale adsorbed on the substrate’s surface. Although lead (Pb) is among the best characterized type I superconductors available, we observed a subtle detail in the spectral intensity of superconducting lead (Pb) single crystals which, so far, has not been ambiguously explained: it is the double-peak nature of the superconducting gap. For the first time, it is proven experimentally by our experiment that Pb is a two-band superconductor. Our journey continues to single non-magnetic adsorbates, which influence the transport properties from a probe electrode to the substrate. Introducing additionally a local magnetic moment induces bound states in the substrate at subgap energies. The experimental signature is a manifold of resonances in STS. In collaboration with theorists, we elaborated the transport mechanisms through these states. Finally, we could explain the formation of a manifold of subgap states by a single atomic transition metal impurity. Unlike previously anticipated, we found that it originates from the atomic orbitals of each impurity. Moreover, if two of such impurities lie close to each other, they form a dimer. Strong experimental evidence was found that bonding and anti-bonding states are formed by hybridization of subgap states with different symmetries. The strength of the hybridization depends on the relative orientation and distance with respect to each other. In the end, we focus on larger systems, namely on nano-meter scale one-dimensional transition metal chains. The coupling within the chain is of a ferromagnetic order. Nevertheless, proximity to the substrate induces superconductivity within the chain, and sets the system into a topological regime. At this limit, so-called Majorana zero modes (MZMs) had been predicted to be localized at the ends of the chains. Those are prime candidates for fault-tolerant information storage in quantum computers. We elucidate the subtle differences in the spectroscopic details of two different systems, namely in iron (Fe) and cobalt (Co) chains. Only the first provided evidence for MZMs. In collaboration with theorists, we suggest a possible explanation for this behavior. All these investigations ask for further experiments on similar systems. As an outlook, we provide preliminary results of manganese (Mn) chains with substantially different structures.

Motiviert durch die Vision des Quantencomputers untersuchten wir die Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Supraleitung auf der Nanoebene. Es wird angenommen, dass der Widerspruch zwischen supraleitender und magnetischer Ordnung zu topologischen Zuständen an der Grenzschicht zwischen beiden Ordnungen führt. Diese vielversprechenden Zustände könnten die Dekohärenz von Quanten-Zuständen vermeiden, unter welcher aktuelle Experimente zu Quantencomputern leiden. Die Kopplung von magnetischen Atomen, die auf der Oberfläche eines konventionellen Supraleiters adsorbiert sind, wurden mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Unsere Experimente begannen mit Messungen an der sauberen Substratoberfläche und endeten bei eindimensionalen Ketten magnetischer Atome mit Nanometerlänge. Obwohl Blei zu den am besten charakterisierten Typ I Supraleitern zählt, konnte die in Experimenten beobachtete Doppel-Peak Struktur der supraleitenden Bandlücke bis zu unserer Untersuchung nicht eindeutig erklärt werden. Wir zeigten experimentell, dass diese Struktur auf die Zwei-Band-Supraleitung in Blei zurückgeführt werden kann. Nach Aufbringen nicht-magnetischer Atome auf einen Bleikristall untersuchten wir deren Einfluss auf die Transport- Eigenschaften zwischen der Spitze und der Oberfläche der Probe. Bei Durchführung des Experiments mit Atomen der Übergangsmetalle, welche ein zusätzliches magnetisches Moment besitzen, konnten wir zusätzliche lokalisierte und gebundene Zustände bei Energien innerhalb der supraleitenden Bandlücke finden. Durch die Kombination von Theorie und Experiment konnten wir den Transport durch diese Zustände erklären. Schließlich widmeten wir uns der Frage, wie ein einzelnes Atom eine Vielzahl solcher Zustände erzeugen kann. Anders als bisher angenommen sehen wir, dass im Falle von Einzelatomen deren jeweilige Atomorbitale für diese Zustände verantwortlich sind. Der nächste Schritt unserer Untersuchung befasste sich mit der Kopplung von Atomen in Dimeren. Wir fanden bindende und antibindende Gesamtzustände vor, welche durch die Hybridisierung der lokalen Einzelzustände erzeugt wurden und von der Symmetrie und dem Abstand der Atome im jeweiligen Dimer abhingen. Abschließend untersuchten wir eindimensionale magnetische Übergangsmetallketten von mehreren Nanometern Länge. Die Ketten waren ferromagnetisch, wurden jedoch durch die Nähe zum Bleisubstrat supraleitend. Dies erzeugte an den Enden der Ketten lokalisierte topologische Zustände, die sogenannten Majorana-Zustände. Diese spielen möglicherweise eine wichtige Rolle für die Entwicklung von fehlerresistenten Quanten-Speichern. In unseren Forschungen fanden wir Unterschiede zwischen Eisen- und Kobalt-Ketten. Nur in Eisen-Ketten zeigten sich Majorana-Zustände. In Zusammenarbeit mit Theoretikern konnten wir zeigen, dass sich dies möglicherweise durch eine Änderung des Fermi-Niveaus erklären lässt. All diese Resultate weisen darauf hin, dass weitere Experimente an ähnlichen System erforderlich sind. Als Ausblick präsentierten wir einige unserer vorläufigen Resultate von Messungen an Mangan-Ketten, welche eine völlig unterschiedliche Struktur zu den Eisen- und Kobalt-Ketten aufweisen.