科技日报记者 吴长锋
记者14日从中国科学技术大学获悉，该校陈仙辉院士、王震宇教授团队与国内合作者合作，将一类量子自旋霍尔绝缘体制备成扫描隧道显微探针，发展了原子尺度自旋探测的新方法。利用这一技术，研究团队实现了实空间原子成像、准粒子干涉成像和磁场响应谱学测量。研究成果10月13日以加速文章预览形式在《自然》发表。
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依赖于针尖末端的磁性原子修饰，且往往需要外磁场的辅助。量子自旋霍尔体系的一维边界态具有螺旋特征：沿同一边界反向传播的电子携带相反的自旋。如果此类拓扑边界态主导量子隧穿过程，控制样品偏压的极性，进而改变隧穿电子的运动方向，原理上有可能获得不同的自旋选择性。
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，该探针仍呈现与螺旋边界态相符的谱学特征。为验证其自旋选择性，团队分别对铁碲中的双共线反铁磁条纹和笼目磁体铁锗中的层间反铁磁序开展测量。结果表明，边界态的自旋—动量锁定可以转化为随隧穿方向变化的自旋选择性，为原子尺度自旋探测提供了新的途径。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。综合原子晶格结构、与反铁磁序一致的实空间图样、准粒子激发态的磁场响应和随偏压反转的动量空间散射各向异性，研究团队获得了相互印证的实验结果。
科研人员表示，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。
（中国科学技术大学供图）
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