近日，中国科学技术大学物理学院教授陈仙辉、王震宇团队与该校化学与材料科学学院教授向斌、香港科技大学教授刘军伟等合作，利用拓扑材料螺旋边界态发展了一种原子尺度自旋探测方法，并在交错磁体候选材料钾钒硒氧(KV₂Se₂O)表面层获得二维d波交错磁序的实验证据。相关论文于10月13日以加速文章预览形式在《自然》发表，论文题为“Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling”。
研究人员介绍，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针尖末端的磁性原子修饰，其自旋态可能受到针尖与样品相互作用影响，且往往需要外磁场辅助。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自旋。若此类拓扑边界态主导量子隧穿过程，通过控制样品偏压极性改变隧穿电子运动方向，原理上可获得不同的自旋选择性。
在此前工作基础上，研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将溴化铋(α-Bi₄Br₄)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：前者的条纹对比随样品偏压极性反转，后者的层间对比随磁场诱导的自旋重取向显著变化。这些结果表明，边界态的自旋—动量锁定可转化为随隧穿方向变化的自旋选择性。
随后，团队将该方法用于KV₂Se₂O研究。交错磁体的净磁化为零，但交换作用可在不依赖自旋—轨道耦合的情况下产生较强能带自旋劈裂，且自旋极化随动量方向交替变化。论文摘要指出，研究通过原子级配准 mapping 揭示了两个钒子晶格与密度波晶格调制之间的空间关系，并获得与棋盘状反铁磁序一致的实空间图样。磁场依赖谱学测量发现，沿两个正交晶轴延展的单向准粒子激发呈现相反的能量移动，支持其具有相反自旋极化，并显示以面外方向为主的磁响应。在动量空间，自旋敏感准粒子干涉成像显示，对称配对的X、Y能谷之间呈现随偏压反转的d波各向异性。
研究团队还表示，非磁针尖及多类材料的对照实验表明，所观察到的偏压反转行为难以由结构各向异性、局域应变或隧穿轨道选择性解释。综合原子晶格结构、与反铁磁序一致的实空间图样、准粒子激发的磁场响应以及随偏压反转的动量空间散射各向异性，研究获得相互印证的实验结果，支持该体系表面层存在二维d波交错磁序。
该工作展示了拓扑量子材料作为物态测量探针的潜力：拓扑边界态不仅可被观测，还可用于探测其他材料的自旋相关电子态。研究团队认为，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。
作者：宋池
