物理所等在磁性外爾半金屬中首次提出“自旋軌道極化子”概念

磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子態自旋的調控，有望用於構築未來實用化的自旋量子器件，是目前凝聚態物理研究的熱點領域之一。近年來，基於過渡金屬的籠目晶格（kagome lattice）化合物成為揭示和探索包括幾何阻挫、關聯效應和磁性以及量子電子態的拓撲行為等豐富物理學性質的新穎材料平臺。在這些近層狀堆疊的晶體材料中，過渡金屬元素原子呈三角形和六邊形在平面內交替排列，形成獨特的拓撲結構，例如具有狄拉克錐的電子能帶結構特徵和強自旋軌道耦合的平帶特徵等。此外，這些材料還表現出鐵磁、反鐵磁以及順磁等豐富磁性基態。研究該類材料磁性以及拓撲特性的一個有效方案是在原子尺度探究其空間局域激發態，但至今未見報道。

Co₃Sn₂S₂作為首個理論預言與實驗證實的具有內稟磁性的外爾費米子拓撲體系，展現出系列獨特拓撲物性。表面依賴的拓撲費米弧和局域無序誘導的內稟反常霍爾電導率升高，使其成為研究缺陷激發及其拓撲特性相關性的理想平臺。掃描隧道顯微鏡/譜與自旋極化針尖結合對於探索原子空位和原子上的缺陷激發來說是非常有力的工具。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士研究組在這兩個技術及其前沿基礎研究方面具有長期而雄厚的積累，取得了一批具有國際頂尖水平的研究結果。

近期，中國科學院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞課題組博士研究生邢宇慶、副研究員陳輝、副研究員黃立等與物理所研究員劉恩克指導的博士生申建雷、美國波士頓學院教授汪自強合作，透過極低溫-強磁場-自旋極化掃描隧道顯微鏡/譜和低溫-原子力顯微鏡，研究了磁性外爾費米子系統Co₃Sn₂S₂中的單原子缺陷附近的激發態。該研究首先利用非接觸的原子力顯微鏡影象及功函式測量，確定解理產生的兩種表面中的S原子終止面。進一步的自旋極化實驗發現，在非磁性的S表面上圍繞單原子S空位周圍會形成空間局域的磁性的極化子。這些極化子表現為具有三重旋轉對稱性空間分佈的束縛態激發的形式。此外，在垂直樣品表面方向施加高達±6 T的外部磁場的實驗顯示，無論磁場方向朝上還是朝下，區域性磁極化子的結合能都隨磁場強度的增加而線性增加，這表明軌道磁化作用對局域化磁矩（~1.35μ_B）具有主導作用。基於這一軌道磁矩的主導作用及在S空位明顯的局域磁彈效應，該研究發現一種新的激發態，即局域化的自旋軌道極化子（Spin-orbital，SOP）。Co₃Sn₂S₂顯著的局域化軌道磁化與拓撲相關的貝利曲率和拓撲磁體磁電效應的迴圈電流有關。非磁性原子層上的SOP會對系統的局域磁性有顯著的增強，同時也增強了時間反演對稱性破缺導致的奇異拓撲物性。

與稀磁半導體中的磁極化子類比，該“自旋軌道極化子”有望在非磁性關聯拓撲材料中引入內稟磁矩，從而形成“稀磁拓撲半金屬”這一新的物質形態。該研究也預示可在新型量子拓撲材料中實現“缺陷量子工程”，即透過改變材料製備引數與原子操縱技術等對缺陷結構的尺寸、濃度與空間排布等進行精準控制，形成缺陷有序陣列等原子級可控結構，實現磁性量子材料的磁性與拓撲性質的精確調控，最終在量子器件中實現功能量子拓撲態的原子級定向構建和有序編織。研究成果為磁性外爾體系中磁序與拓撲性質調控提供了新思路，有助於新一代複雜功能量子器件開發。

相關成果以Localized spin-orbit polaron in magnetic Weyl semimetal Co₃Sn₂S₂為題，發表在《自然-通訊》上。邢宇慶、申建雷、陳輝和黃立為論文的共同第一作者，劉恩克、汪自強與高鴻鈞為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院等支援。

論文連結 

Co₃Sn₂S₂的兩種解理表面以及S原子終止面的確定 

S表面單原子缺陷處的空間局域化激發態及空間分佈 

S表面單原子缺陷處的空間局域化激發態的自旋極化表徵 

單原子缺陷處的空間局域化激發態的反常塞曼效應與自旋軌道極化子 

【來源：物理研究所】

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