【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院陳仙輝教授、王震宇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合該?；瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院向斌教授、香港科技大學(xué)劉軍偉教授等合作者，將一類量子自旋霍爾絕緣體制備成掃描隧道顯微探針，發(fā)展了原子尺度自旋探測的新方法。利用這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)空間原子成像、準(zhǔn)粒子干涉成像和磁場響應(yīng)譜學(xué)測量，為二維d波交錯磁序提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。10月13日，題為“Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling”的研究論文，以加速文章預(yù)覽(Accelerated Article Preview)形式在《自然》發(fā)表。
 

　　在原子尺度辨識自旋相關(guān)電子態(tài)，是研究量子材料中演生現(xiàn)象的重要手段。傳統(tǒng)自旋分辨探針通常依賴于針尖末端的磁性原子修飾，其自旋態(tài)可能受到針尖與樣品相互作用的影響，且往往需要外磁場的輔助。量子自旋霍爾體系的一維邊界態(tài)具有螺旋特征：沿同一邊界反向傳播的電子攜帶相反的自旋。如果此類拓?fù)溥吔鐟B(tài)主導(dǎo)量子隧穿過程，控制樣品偏壓的極性，進(jìn)而改變隧穿電子的運(yùn)動方向，原理上有可能獲得不同的自旋選擇性。此前，陳仙輝、王震宇團(tuán)隊(duì)在α-Bi4I4晶體的單層和雙層臺階處均觀測到穩(wěn)定且純凈的一維螺旋邊界通道，其層間雜化耦合極弱(Phys. Rev. X 14, 041048 (2024))，為利用同族拓?fù)洳牧蠘?gòu)筑邊界態(tài)針尖提供了實(shí)驗(yàn)思路。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過聚焦離子束微納加工，將α-Bi4Br4單晶制備成具有原子分辨能力的掃描隧道顯微鏡針尖，該探針仍呈現(xiàn)與螺旋邊界態(tài)相符的譜學(xué)特征。為驗(yàn)證其自旋選擇性，團(tuán)隊(duì)分別對Fe1+xTe中的雙共線反鐵磁條紋和籠目磁體FeGe中的層間反鐵磁序開展測量，前者的條紋對比隨樣品偏壓極性反轉(zhuǎn)，后者的層間對比則隨磁場誘導(dǎo)的自旋重取向而顯著變化。這些結(jié)果表明，邊界態(tài)的自旋–動量鎖定可以轉(zhuǎn)化為隨隧穿方向變化的自旋選擇性，為原子尺度自旋探測提供了新的途徑。
 

　　隨后，團(tuán)隊(duì)將這一方法用于交錯磁體候選材料KV2Se2O的研究。交錯磁體的凈磁化為零，但交換作用可以在不依賴自旋-軌道耦合的情況下產(chǎn)生強(qiáng)的能帶自旋劈裂，且自旋極化隨動量方向交替變化。這一特征與晶體對稱性以及反向自旋子晶格密切相關(guān)。因此，如何同時(shí)辨識局域晶格結(jié)構(gòu)與相關(guān)電子態(tài)的自旋特征，是驗(yàn)證交錯磁序的關(guān)鍵。
 

　　在KV2Se2O表面，原子成像識別出具有√2×√2周期的密度波調(diào)制以及兩類由鏡面對稱聯(lián)系的釩位點(diǎn)。對相反偏壓極性的圖像進(jìn)行重構(gòu)后，獲得的實(shí)空間圖案與棋盤狀反鐵磁序相一致。矢量磁場下的隧道譜測量發(fā)現(xiàn)，沿兩個正交晶軸延展的準(zhǔn)粒子激發(fā)呈現(xiàn)相反的能量移動，支持它們具有相反的自旋極化，并顯示出以面外方向?yàn)橹鞯拇彭憫?yīng)。在具有動量空間分辨能力的準(zhǔn)粒子干涉圖樣中，與 X、Y能谷相關(guān)的兩組正交散射特征具有不同強(qiáng)度，且其主導(dǎo)方向隨偏壓極性反轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)90°。非磁針尖及多類材料的對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，實(shí)驗(yàn)所觀察到的偏壓反轉(zhuǎn)行為難以被結(jié)構(gòu)各向異性、局域應(yīng)變或隧穿軌道選擇性所解釋，從而為d波對稱性的自旋劈裂提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
 

　　綜合原子晶格結(jié)構(gòu)、與反鐵磁序一致的實(shí)空間圖樣、準(zhǔn)粒子激發(fā)態(tài)的磁場響應(yīng)和隨偏壓反轉(zhuǎn)的動量空間散射各向異性，研究團(tuán)隊(duì)獲得了相互印證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合理論分析和對比實(shí)驗(yàn)，所有結(jié)果支持了KV2Se2O表面層的二維d波交錯磁序。此外，該工作展示了拓?fù)淞孔硬牧献鳛槲飸B(tài)測量探針的潛力：拓?fù)溥吔鐟B(tài)不僅可以被觀測，還可以用于探測其他材料的自旋相關(guān)電子態(tài)。這一方法有望應(yīng)用于二維磁體和莫爾材料，為研究其原子尺度自旋特征提供新的方法和技術(shù)。
 

　　中國科大博士生王竹瑩、喻水康、肖曉宇和香港科技大學(xué)博士生程星愷為共同第一作者；陳仙輝、王震宇、劉軍偉和向斌教授為共同通訊作者。中國科大高陽、牛謙教授及中國科學(xué)院物理研究所王志俊研究員等也參與了相關(guān)工作。研究團(tuán)隊(duì)感謝中國科大李亞萍在微納加工方面的技術(shù)支持。該研究得到國家重大科技專項(xiàng)、合肥國家實(shí)驗(yàn)室、教育部、國家自然科學(xué)基金委和香港研究資助局的支持。(物理學(xué)院、科研部)
 

　　引用：中國科大利用拓?fù)涮结樖状螌?shí)現(xiàn)交錯磁體原子尺度自旋成像 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年10月13日】