中国科大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。10月13日，题为"Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling"的研究论文，以加速文章预览（Accelerated Article Preview）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，其自旋态可能受到针尖与样品相互作用的影响，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。此前，陈仙辉、王震宇团队在α-Bi₄I₄晶体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（Phys. Rev. X 14, 041048 (2024)），为利用同族拓扑材料构筑边界态针尖提供了实验思路。

图1：基于一维螺旋边界态的原子尺度自旋探测

研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将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Fe_1+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。

随后，团队将这一方法用于交错磁体候选材料KV₂Se₂O的研究。交错磁体的净磁化为零，但交换作用可以在不依赖自旋-轨道耦合的情况下产生强的能带自旋劈裂，且自旋极化随动量方向交替变化。这一特征与晶体对称性以及反向自旋子晶格密切相关。因此，如何同时辨识局域晶格结构与相关电子态的自旋特征，是验证交错磁序的关键。

在KV₂Se₂O表面，原子成像识别出具有√2×√2周期的密度波调制以及两类由镜面对称联系的钒位点。对相反偏压极性的图像进行重构后，获得的实空间图案与棋盘状反铁磁序相一致。矢量磁场下的隧道谱测量发现，沿两个正交晶轴延展的准粒子激发呈现相反的能量移动，支持它们具有相反的自旋极化，并显示出以面外方向为主的磁响应。在具有动量空间分辨能力的准粒子干涉图样中，与 X、Y能谷相关的两组正交散射特征具有不同强度，且其主导方向随偏压极性反转而旋转90°。非磁针尖及多类材料的对照实验进一步表明，实验所观察到的偏压反转行为难以被结构各向异性、局域应变或隧穿轨道选择性所解释，从而为d波对称性的自旋劈裂提供了坚实的实验证据。

图2：KV₂Se₂O表面二维d波交错磁性的实空间与动量空间实验证据

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。结合理论分析和对比实验，所有结果支持了KV₂Se₂O表面层的二维d波交错磁序。此外，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。

中国科大博士生王竹莹、喻水康、肖晓宇和香港科技大学博士生程星恺为共同第一作者；陈仙辉、王震宇、刘军伟和向斌教授为共同通讯作者。中国科大高阳、牛谦教授及中国科学院物理研究所王志俊研究员等也参与了相关工作。研究团队感谢中国科大李亚萍在微纳加工方面的技术支持。该研究得到国家重大科技专项、合肥国家实验室、教育部、国家自然科学基金委和香港研究资助局的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11257-1

（物理学院、科研部）