The interplay between quantum spins and superconductivity at the atomic level

Abstract

Single magnetic impurities embedded in a superconducting host material represent a microscopic interface between magnet and superconductor. Very locally around such atomic-scale magnets, electronic resonances emerge inside the energy gap of the superconductor. These so-called Yu-Shiba-Rusinov states attract great interest in fundamental research and technology as the initial ingredient for application proposals, e.g. in quantum computers. This thesis explores magnetic surface atoms on superconducting niobium by scanning tunneling microscopy and spectroscopy with normal metallic, superconducting and magnetic tips. Theoretical first-principles and tight-binding models are employed to shed light on the complex phenomena observed in measurement data. The results demonstrate the great potential of this material interface and the capability of tuning the electronic, magnetic and geometry parameters by atomic manipulation in one and two dimensional self-crafted structures.

Magnetische Fremdatome innerhalb eines supraleitenden Materials repräsentieren eine mikroskopische Schnittstelle zwischen Supraleitung und Magnetismus. In einem lokal sehr begrenzten Bereich um diese atomaren Magneten entstehen elektronische Zustände als scharfe Resonanzen inmitten der Energielücke des Supraleiters. Solche Zustände sind aktuell von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse als Grundbaustein für Anwendungskonzepte in der Quantencomputertechnik. Diese Dissertation untersucht magnetische Einzelatome auf der Oberfläche von supraleitendem Niob mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie unter Verwendung von metallischen, supraleitenden und magnetischen Sonden. Theoretische ab initio und tight-binding Studien ergänzen die experimentell beobachteten Phänomene mit komplexen numerischen Simulationen. Die Resultate zeigen das Potential des Systems und die Durchstimmbarkeit der Zustände in ein- und zweidimensionalen atomar konstruierten Strukturen.