近日，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，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，为二维d波交错磁序提供了直接的实验证据。相关研究成果以“Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling”为题，发表在《自然》上。
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。
研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将α-Bi4Br4(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Fe1+xTe中的双共线反铁磁条纹和笼目磁体FeGe中的层间反铁磁序开展测量，前者的条纹对比随样品偏压极性反转，后者的层间对比则随磁场诱导的自旋重取向而显著变化。这些结果表明，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。
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。后续科研团队将继续优化探针制备工艺，拓展该技术在更多新型量子材料研究中的应用场景，推动量子材料基础研究领域的不断发展。
素材来源：中国科学技术大学
