中国科研团队找到原子尺度自旋探测的新方法

记者从中国科学技术大学获悉，科研团队将拓扑材料制成扫描隧道显微镜针尖，发展出原子尺度自旋探测新方法，并获得钾钒硒氧表面存在二维d波交错磁序的直接实验证据，这一针尖在未来有望成为观察电子自旋的“原子级放大镜”。

这一研究由中国科学技术大学物理学院陈仙辉教授、王震宇教授团队联合该校化学与材料科学学院向斌教授、香港科技大学刘军伟教授等合作者共同完成。相关成果于13日晚发表于国际学术期刊《自然》。

自旋是电子的一种基本属性，与材料的磁性密切相关。要深入了解一种材料的磁性，除了观察原子如何排列，还需要研究电子自旋的分布。在原子尺度辨识自旋相关电子态，是研究量子材料中演生现象的重要手段。

传统自旋分辨探针通常借助磁性针尖获得自旋敏感性。而在拓扑螺旋边界态中，反向传播的电子携带相反的自旋，有望提供一种新的自旋选择机制。此前，陈仙辉、王震宇团队在层状材料碘化铋单晶的单层和双层台阶处均观测到稳定且纯净的一维螺旋边界通道，其层间杂化耦合极弱，为利用同族拓扑材料构筑边界态针尖提供了实验思路。

螺旋边界态探针的工作原理示意图。（中国科学技术大学供图）

研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将溴化铋单晶制备成具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜针尖，并验证其自旋选择性。随后，团队将这一方法用于交错磁体候选材料钾钒硒氧的研究。结合理论分析和对比实验，所有结果支持了该体系表面层的二维d波交错磁序。

陈仙辉介绍，该工作展示了拓扑量子材料作为物态测量探针的潜力：拓扑边界态不仅可以被观测，还可以用于探测其他材料的自旋相关电子态。这一方法有望应用于二维磁体和莫尔材料，为研究其原子尺度自旋特征提供新的方法和技术。（记者何曦悦、周畅）