Quantum state readout of individual quantum dots by electrostatic force detection

Miyahara, Yoichi; Roy-Gobeil, Antoine; Grütter, Peter

doi:10.1088/1361-6528/aa5261

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“…This dependence of cantilever damping on the charging rate agrees with previous results. For example, Miyahara et al present the same dependence derived in the context of cantilever-induced single-electron tunneling [69].…”

Section: A Current-induced Cantilever Dissipationmentioning

confidence: 66%

Lagrangian and Impedance-Spectroscopy Treatments of Electric Force Microscopy

2019

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Scanning probe microscopy is often extended beyond simple topographic imaging to study electrical forces and sample properties, with the most widely used experiment being frequency-modulated Kelvin probe force microscopy. The equations commonly used to interpret this frequency-modulated experiment, however, rely on two hidden assumptions. The first assumption is that the tip charge oscillates in phase with the cantilever motion to keep the tip voltage constant. The second assumption is that any changes in the tip-sample interaction happen slowly. Starting from an electro-mechanical model of the cantilever-sample interaction, we use Lagrangian mechanics to derive coupled equations of motion for the cantilever position and charge. We solve these equations analytically using perturbation theory, and, for verification, numerically. This general approach rigorously describes scanned probe experiments even in the case when the usual assumptions of fast tip charging and slowly changing samples properties are violated. We develop a Magnus-expansion approximation to illustrate how abrupt changes in the tip-sample interaction cause abrupt changes in the cantilever amplitude and phase. We show that feedback-free time-resolved electric force microscopy cannot uniquely determine sub-cycle photocapacitance dynamics. We then use first-order perturbation theory to relate cantilever frequency shift and dissipation to the sample impedance even when the tip charge oscillates out of phase with the cantilever motion. Analogous to the treatment of impedance spectroscopy in electrochemistry, we apply this approximation to determine the cantilever frequency shift and dissipation for an arbitrary sample impedance in both local dielectric spectroscopy and broadband local dielectric spectroscopy experiments. The general approaches we develop provide a path forward for rigorously modeling the coupled motion of the cantilever position and charge in the wide range of electrical scanned probe microscopy experiments where the hidden assumptions of the conventional equations are violated or inapplicable. arXiv:1807.01219v2 [cond-mat.mes-hall]

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Section: A Current-induced Cantilever Dissipationmentioning

confidence: 66%

Lagrangian and Impedance-Spectroscopy Treatments of Electric Force Microscopy

2019

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“…Füre ine Beschreibung des Arbeitsprinzips und allgemeiner Anwendungen des KPFM verweisen wir den Leser auf die neuesten Übersichtsartikel. [93][94][95][96][97] Ein wichtiger Punkt ist, dass das KPFM fürE inzelmoleküle Informationen über den Ladungszustand individueller Atome [98,99] und Moleküle liefern kann. [100,101] Sogar Informationen, die auf die Ladungsverteilung innerhalb eines Moleküls rückschließen lassen, kann man mit Subelektronen-Auflçsung gewinnen.…”

Section: Angewandte Chemieunclassified

Rasterkraftmikroskopie für die molekulare Strukturaufklärung

et al. 2018

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Mit der Rastersondenmikroskopie kann man auf einer Oberfläche adsorbierte Moleküle individuell und mit hoher Auflösung untersuchen. Die Technik, die bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum durchgeführt wird, liefert Informationen über Struktur, Konfiguration, Ladungszustand, Aromatizität und die Beteiligung von Resonanzstrukturen. Durch Funktionalisierung der Spitze eines Rasterkraftmikroskops mit einem CO‐Molekül können Einzelmoleküle mit atomarer Auflösung abgebildet werden, ihre Adsorptionsgeometrie kann gemessen und die Bindungsordnungen im Molekül können bestimmt werden. Mit der Rastertunnelmikroskopie und der Kelvinsondenkraftmikroskopie kann man zudem die Elektronendichte der molekularen Grenzorbitale bzw. die Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls kartieren. In Kombination ergeben diese Methoden ein hochauflösendes Verfahren zur Identifizierung und Charakterisierung von Einzelmolekülen. Die Empfindlichkeit auf Einzelmoleküle sowie die Option, durch Manipulation von Atomen mit der Spitze des Mikroskops chemische Reaktionen auszulösen, eröffnen einzigartige chemische Anwendungsmöglichkeiten und heben die Rastersondenmikroskopie von den klassischen Methoden zur molekularen Strukturaufklärung heraus. Somit kann die Rasterkraftmikroskopie nicht nur bei der Identifizierung von schwer zu bestimmenden Naturstoffen helfen, sondern sie ist auch ein leistungsstarkes und besonders gut geeignetes Instrument, um Oberflächenreaktionen zu untersuchen und Radikale und molekulare Mischungen zu charakterisieren. In diesem Aufsatz zeigen wir auf, welche Entwicklung die hochauflösende Rastersondenmikroskopie mit funktionalisierter Spitze bei der molekularen Strukturaufklärung und ‐charakterisierung in den vergangenen Jahren genommen hat, und erörtern die Herausforderungen der kommenden Jahre.

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“…within the scope of such dissipation sensitive techniques as atomic force microscopy (AFM) at low temperatures. [88][89][90][91][92] The relevant quantity hereby would be the damping of the AFM cantilever oscillations directly linked to the magnetic-state-transition induced dissipation in the system.…”

Section: Vacancy Clustersmentioning

confidence: 99%

Controlling the magnetism of oxygen surface vacancies in SrTiO3 through charging

Brovko

Tosatti

2017

Phys. Rev. Materials

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We discuss, based on first principles calculations, the possibility to tune the magnetism of oxygen vacancies at the (001) surface of strontium titanate (SrTiO3). The magnetic moment of single and clustered vacancies stemming from Ti − O broken bonds can be both quenched and stabilized controllably by chemical potential adjustment associated with doping the system with electrons or holes. We discuss to what extent this route to magnetization state control is robust against other external influences like chemical doping, mechanical action and electric field. Such control of vacancy state and magnetization can conceivably be achieved experimentally by using local probe tips.

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Quantum state readout of individual quantum dots by electrostatic force detection

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Lagrangian and Impedance-Spectroscopy Treatments of Electric Force Microscopy

Lagrangian and Impedance-Spectroscopy Treatments of Electric Force Microscopy

Rasterkraftmikroskopie für die molekulare Strukturaufklärung

Controlling the magnetism of oxygen surface vacancies in SrTiO3 through charging

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