国产“原子级放大镜”问世：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

IT之家 10 月 14 日消息，中国科学技术大学研究团队利用拓扑材料制作成扫描隧道显微镜的探针，开发出一种能在原子尺度探测自旋的新技术，并在钾钒硒氧表面直接观测到二维 d 波交错磁序的实验证据。该探针未来可能成为观察电子自旋的“原子级放大镜”。

这项研究由中国科学技术大学物理学院陈仙辉院士、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共同完成，陈仙辉、王震宇、刘军伟和向斌担任共同通讯作者。相关成果于 10 月 13 日在《自然》期刊发表。

自旋是电子的基本特性，与材料的磁性紧密关联。在原子尺度上识别自旋相关的电子态，是研究量子材料中涌现现象的重要工具。传统的自旋分辨探针通常需要在针尖末端修饰磁性原子，其自旋状态可能受到针尖与样品相互作用的干扰，且往往需要外加磁场的辅助。

在量子自旋霍尔体系中，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。如果这类拓扑边界态主导了量子隧穿过程，通过控制样品偏压的极性来改变隧穿电子的运动方向，理论上可以获得不同的自旋选择性。此前，陈仙辉、王震宇团队在层状材料碘化铋单晶（α-Bi₄I₄）的单层和双层台阶处，已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，这为利用同族拓扑材料构建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技术，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，谱学标定显示加工后的针尖仍保留了螺旋边界态的特性。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进行了测量，前者条纹对比度随样品偏压极性反转而改变，后者层间对比度随磁场诱导的自旋重取向而显著变化。这些结果说明，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。

随后，团队将该方法应用于交错磁体候选材料钾钒硒氧的研究。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强烈的能带自旋劈裂，且自旋极化随动量方向交替变化。在钾钒硒氧表面，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一致。在矢量磁场下的隧道谱测量中发现，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。在准粒子干涉图样中，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 度。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用结构各向异性、局域应变或隧穿轨道选择性来解释。

综合原子晶格结构、与反铁磁序一致的实空间图样、准粒子激发态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，所有结果支持了钾钒硒氧表面层的二维 d 波交错磁序。

陈仙辉介绍，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，还能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手段和技术。

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