Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Markus Aapro

Väitöskirjan nimi: Tuning atomic scale magnetism with artificial nanostructures

Tohtoriopiskelija: Markus Aapro
Vastaväittäjä: professori Ingmar Swart, Debye Institute for Nanomaterials Science, Utrecht University, Alankomaat
Kustos: professori Peter Liljeroth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Tunnelointimikroskopia (STM) on yksi harvoista kokeellisista tekniikoista, jolla voidaan kuvantaa näytteitä atomimittakaavassa, tutkia niiden paikallisia sähköisiä ominaisuuksia sekä rakentaa keinotekoisia nanorakenteita yksittäisistä atomeista ja molekyyleistä. Näillä metodeilla voidaan toteuttaa ja tutkia kiinnostavia hilarakenteita, joita ei esiinny luonnollisissa materiaaleissa: tutkimusryhmät ympäri maailmaa työskentelevät näiden systeemien parissa ymmärtääkseen paremmin esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohtavuutta. Erityisen monipuolista fysiikkaa voi toteuttaa rakentamalla keinotekoisia rakenteita magneettisista atomeista ja molekyyleistä, jotka vuorovaikuttavat keskenään. Tässä väitöskirjassa käsitellään viimeaikaisia kokeita liittyen magneettisten ’epäpuhtauksien’ ja johtavuusvyön kytkentään, koneoppimisen hyödyntämiseen atomimanipulaation automatisoinnissa, sekä magneettisten epäpuhtauksien ominaisuuksiin keinotekoisten nanorakenteiden sisällä.

Kondo-ilmiö johtaa atomin tai molekyylin magneettisen momentin peittymiseen johtavuusvyön elektronien sironnan vaikutuksesta ja siten niin-kutsuttuun Kondo-resonanssiin. Tutkimme kokeellisesti tämän resonanssin lämpötilariippuvuutta kuvaavaa uutta mallia ja näytämme, kuinka olennaista on huomioida erilaiset signaalia leventävät tekijät johtavuusspektrejä analysoitaessa. Työmme toimii yleispätevänä mallina matalaenergisten resonanssien Kondo-luonteen varmistamiselle, sekä näyttää kuinka systeemin matalan lämpötilan käytöstä määräävä Kondo-lämpötila määritetään tarkasti.

Sovelsimme syviä vahvistusoppimismenetelmiä (DRL) atomien sivuttaismanipuloinnissa. Koulutettu malli pystyy mukautumaan muuttuviin mittakärki- ja meluolosuhteisiin, ja yhdistettynä polkuoptimointialgoritmeihin muodostaa pohjan autonomiselle nanorakennusjärjestelmälle. Tällä tekniikalla voi mahdollisesti toteuttaa manipulointikokeita aiempaa monipuolisemmilla pinnoilla.

Lopuksi tuomme Kondo-systeemit ja atomimanipulaation yhteen tutkimalla magneettisia epäpuhtauksia kvanttiaitauksissa, yksittäisistä atomeista rakennetuissa suljetuissa rakennelmissa. Rajaamalla Ag(111)-pinnan pintatilan elektroneita aitauksiin säädämme johtavuuselektronien ympäristöä kobolttiatomien ja H2Pc-molekyylien ympärillä, ja havaitsemme tästä johtuvia muutoksia matalan energian spektreissä. Esitetyt tulokset raivaavat tietä jatkotutkimuksille, joissa magneettisia epäpuhtauksia käytetään keinotekoisten hilojen rakennusmateriaaleina.

Avaisanat: Tunnelointimikroskopia, atomimanipulaatio, Kondo-ilmiö, kvanttiaitaukset

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus 

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52