Unpaired adatom spins on superconductors interact with the Cooper pairs of the substrate and induce Yu-Shiba-Rusinov (YSR) states inside the excitation gap. Using combined scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) methods, we can probe these states at the single-atom scale. Additionally, adatoms can be moved on surfaces with atomic precision by lateral manipulation using the STM tip. If the YSR wave functions of two impurities overlap, they may hybridize forming a symmetric and an antisymmetric linear combination of the monomer wave functions similar to the linear combination of atomic orbitals when forming molecules. In structures consisting of many magnetic adatoms YSR bands can develop and, for specific parameter ranges, realize topological superconductivity.
We investigate structures of Fe and Mn atoms on the quasi-two dimensional superconductor 2H-NbSe2. We start out by studying symmetry properties of hybridized YSR states. Because the symmetries of YSR wave functions are determined by the crystal field of the corresponding adsorption site of the magnetic atoms as well as the Fermi surface of the substrate, we can employ the symmetries imposed by the substrate to realize chiral, triatomic YSR molecules which cannot be obtained in gas-phase chemistry. Interestingly, we also observe an odd parity ground state in dimers without a mirror plane between both atoms. This ground state makes the dimer a promising start for a chain that may host topological superconductivity. We extend the dimer to a linear chain of 24 atoms and observe the formation of YSR bands. In long chains the YSR bands are influenced by the incommensurate charge-density wave (CDW) that coexists with superconductivity in NbSe2.
Just as YSR bands in chains, the YSR states of individual Fe atoms on NbSe2 are influenced by the CDW. Here, we demonstrate that Fe atoms also influence the CDW. We reversibly switch the CDW-to-lattice alignment around Fe dimers by manipulating additional Fe atoms at a distance of more than 6nm from the dimers and observe significant changes in the YSR states of the dimers upon switching the CDW. Finally, we explore Mn atoms on 2H-NbSe2. We find that the YSR states of individual Mn atoms are less influenced by the CDW than those of Fe atoms. While we do not observe hybridization of YSR states in Mn dimers, we find signatures of spin excitations in chains of densely spaced Mn atoms.
Magnetische Atome auf Supraleitern stören lokal die Supraleitung im Substrat und verursachen dadurch Yu-Shiba-Rusinov (YSR) Zustände in der supraleitenden Bandlücke. Mittels Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (RTM/RTS) können wir diese Zustände mit atomarer Auflösung untersuchen. Zusätzlich können einzelne Atome auf der Oberfläche durch laterale Manipulation mittels der RTM-Spitze mit atomarer Präzision bewegt werden. Wenn die Wellenfunktionen der YSR Zustände zweier Atome überlappen, können sie hybridisieren, wobei eine symmetrische und eine antisymmetrische Kombination der einzelnen Wellenfunktionen (ähnlich der Linearkombination von Atomorbitalen bei Molekülbildung) gebildet werden. In Strukturen aus vielen Atomen können sich YSR Bänder bilden und in bestimmten Parameterbereichen topologische Supraleitung auftreten.
Hier untersuchen wir Strukturen aus Fe und Mn Atomen auf dem quasi zweidimensionalen Supraleiter 2H-NbSe2. Zunächst betrachten wir Symmetrien bei der Hybridisierung von YSR Zuständen. Die Symmetrie einzelner YSR Wellenfunktionen wird duch das Kristallfeld um das jeweilige Atom, sowie die Fermi-Oberfläche des Substrates bestimmt. Daher können wir die Symmetrien des Substrates nutzen um dreiatomige chirale YSR Moleküle zu konstruieren, was in Gasphasenchemie nicht möglich ist. Interessanterweise finden wir Dimere ohne Spiegelachse zwischen beiden Atomen in einem Grundzustand mit ungerader Parität. Dieser Grundzustand macht das Dimer zu einem vielversprechenden Anfang für eine Atomkette, in der topologische Supraleitung auftreten könnte. Wir konstruieren eine solche Kette mit bis zu 24 Atomen und beobachten die Bildung von YSR Bändern. Die YSR Bänder in langen Ketten werden von der Ladungsdichtewelle (LDW), die NbSe2 neben der Supraleitung aufweist, beeinflusst.
So wie die YSR Bänder in langen Ketten, werden auch die YSR Zustände von der LDW beeinflusst. Wir zeigen, dass umgekehrt auch die LDW von Fe Atomen beeinflusst werden kann. Wir ändern die relative Position der LDW zum Kristallgitter in der Umgebung eines Fe Dimers, indem wir weitere Fe Atome im Abstand von mindestens 6nm zum Dimer mit Hilfe der RTM-Spitze verschieben und beobachten deutliche Veränderungen in den Spektren der Dimeratome.
Zuletzt untersuchen wir auch Mn Atome auf NbSe2, deren YSR Zustände deutlich weniger von der LDW beeinflusst werden, als die von Fe Atomen. Während wir in Mn Dimeren keine Hybridisierung der YSR Zustände beobachten, zeigen Anordnungen aus dicht gepackten Mn Atomen Merkmale von Spinanregungen.
