科学家利用拓扑探针首次实现交错磁体原子尺度自旋成像

近日，中国科学技术大学等团队将一类量子自旋霍尔绝缘体制备成扫描隧道显微探针，发展出原子尺度自旋探测新方法。依托这一技术，研究实现了自旋分辨的实空间成像、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。

原子尺度自旋电子态探测，是研究量子材料演生现象的重要手段。传统磁性自旋分辨探针末端易受干扰，且依赖外磁场辅助。团队通过聚焦离子束微纳加工，将α相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。谱学标定证实，加工后的针尖仍保留螺旋边界态的特征。

实验验证，该探针具备自旋选择性，依托螺旋边界态自旋–动量锁定特性，可通过控制隧穿电流方向实现对不同自旋电子态的选择。

团队用这套新方法研究交错磁体候选材料钾钒硒氧。研究依靠原子成像，分辨出两种镜面对称的钒原子位置，观察到密度波形成的特殊晶格结构。通过对比不同电压下的电导图，获得与棋盘式反铁磁排布一致的实空间图像。研究还发现，两个正交晶轴方向上准粒子激发和干涉图样呈现相反的自旋极化，这为d波对称性的自旋劈裂提供了直接实验证据。

团队综合各项实验结果并结合理论分析证实，所有结果支持钾钒硒氧表面层存在二维d波交错磁序。

该工作展现了拓扑量子材料作为物态测量探针的潜力。这一方法有望应用于二维磁体和莫尔材料，为原子尺度自旋特征研究提供新的技术。

相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。

示意图：螺旋边界态探针的工作原理（左）；d波交错磁的电子散射特征（右）