Nature子刊：自旋極化STM等對量子材料中自旋流的原位探測

　　近日，北京大學量子材料科學中心韓偉研究員、謝心澄院士和日本理化學研究所Sadamichi Maekawa教授受邀在國際著名刊物 Nature Materials （《自然-材料》)撰寫綜述文章，介紹“自旋流-新穎量子材料的靈敏探針”這一新興領域的前沿進展。

　　自旋電子學起源于巨磁阻效應的發現，在當時而言，自旋流指的僅僅是電子自旋的傳播。隨著自旋電子學的蓬勃發展，與相關研究的不斷深入，新的自旋流現象與機制不斷被拓展。相關研究證明，一系列的粒子或者準粒子攜帶的自旋都能夠形成自旋流，比如磁性絕緣體中的磁振子、超導體中自旋三重態和準粒子、量子自旋液體中的自旋子、自旋超導態等。尤其對于量子材料而言，由于其往往具有獨特的自旋性質，基于自旋流探針的研究方法就成為表征量子材料物性的有效手段。

　　量子材料是凝聚態物理與材料科學領域的研究前沿之一，其量子性質起源于諸多量子效應，包括低維尺寸效應、量子限域效應、量子相干效應、量子阻挫效應、能帶結構的拓撲性、自旋軌道耦合、對稱性限制等。量子材料包括石墨烯、高溫超導體、拓撲絕緣體、外爾半金屬、量子自旋液體、自旋超流體等。量子材料可以表現出諸多與自旋相關的量子性質，如二維過渡金屬硫族化合物中的自旋-谷耦合，以及拓撲絕緣體當中的自旋-動量鎖定等。因為量子材料的自旋屬性在下一代的量子信息存儲和量子計算科學中的應用潛力，所以量子材料的自旋相關性質研究得到了廣泛關注。

　　為了研究量子材料的自旋性質，發展一種易于實現和操控的高效工具顯得尤為迫切與關鍵。幸運的是，在實驗物理學家和理論物理學家的不懈努力下，成功證實了自旋流探針能夠作為量子材料的有效探測手段。一系列激發和探測自旋流的方法被提出并得以實現，從而證實了基于自旋流探針的量子材料物性研究的廣泛適用性。

　　迄今為止，相關實驗已經證實自旋流能夠以超導體系中的自旋三重態庫珀對和超導準粒子、量子自旋液體中的自旋子、磁性絕緣體和自旋超流體中的磁振子為載體進行傳播（相關物理圖像被總結在表1中）。本篇綜述文章著重介紹了五類主要的量子材料體系中基于自旋流探針的物性研究。第一類是超導材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋三重態的存在以及自旋動力學的演化過程；第二類是量子自旋液體材料體系，自旋流探針可以被用來驗證自旋子攜帶的自旋角動量的有效傳播過程；第三類是磁性絕緣體體系，自旋流以磁振子的形式傳播，描述了磁有序材料當中的集體激發行為；第四類是雜化量子激發體系，自旋流以磁振子-聲子雜化模式（磁振子-極化子）或磁振子-光子雜化模式（磁振子-極化激元）為載體進行傳播；第五類是自旋超流體系，自旋流以玻色愛因斯坦凝聚中的自旋量子數為1的玻色子為載體進行傳播，這種玻色子可以為電子-空穴激子或者是磁振子。

　　這些重要的研究進展已經充分證實，基于自旋流探針的物性表征對于量子材料而言是一種行之有效的研究手段。因此，這一方法將會極大地推動新穎量子材料的發現和相關物理性質的研究。例如量子霍爾和量子自旋霍爾材料、量子鐵磁體和反鐵磁體、六角晶格體系中的量子手征聲子、自旋和力耦合的量子系統、超導體中的自旋動力學和鐵磁與超導界面的超導能隙、自旋三重態超導體中的超導對稱性、強耦合自旋系統中的雜化激發、拓撲磁振子材料、量子自旋液體中的自旋子、自旋超流體約瑟夫森效應以及其它任何作為自旋流載體的量子態。這一領域的進展還將推動自旋成像技術的發展，如利用自旋極化掃描隧道顯微鏡和氮空位色心顯微鏡技術，對量子材料體系中自旋流的原位探測。

　　該綜述文章于2019年8月26日在線發表在 Nature Materials （DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-019-0456-7）。這項工作得到中國國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金以及中國科學院戰略性先導科技專項的資助。