نوک میکروسکوپ توپولوژیکی جدید شواهدی از آلترمغناطیس دو بعدی را نشان می دهد

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان یک ماده توپولوژیکی لایه‌ای را در نوک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) ساخته‌اند که حالت‌های الکترونیکی مرتبط با اسپین را در وضوح اتمی حس می‌کند.

تیم تحقیقاتی به رهبری Chen Xianhui و Wang Zhenyu از دانشگاه علم و صنعت چین (USTC) آکادمی علوم چین (CAS)، همراه با Xiang Bin از USTC، Liu Junwei از دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ و سایر همکاران، از این کاوشگر برای به دست آوردن شواهد همگرا برای سطح دوبعدی مرتبه ماگند استفاده کردند. KV2Se2O.

این مطالعه به صورت آنلاین در Nature در 13 اکتبر منتشر شد.

به گفته محققان، این رویکرد مبتنی بر اثر هال اسپین کوانتومی است. در امتداد لبه عایق هال اسپین کوانتومی، الکترون هایی که در جهت مخالف حرکت می کنند، مقادیر انتظار اسپین مخالف دارند. چنین کانالهای لبه "مارپیچ" یک بعدی مدتهاست که به دلیل خواص الکترونیکی غیرمعمول آنها مورد مطالعه قرار گرفته است.

در کار قبلی، تیم USTC حالت های لبه مارپیچ قوی و ضعیف را در مراحل مربوط به ماده α-Bi4I4 مشاهده کردند. با تکیه بر این یافته، محققان بررسی کردند که آیا می توان از این کانال های لبه توپولوژیکی برای کاوش مواد دیگر استفاده کرد یا خیر.

محققان از نانوساخت پرتو یون متمرکز برای شکل دادن تک بلورهای α-Bi4Br4 به نوک STM استفاده کردند. نوک‌های ساخته شده می‌توانند اتم‌های منفرد را در حالی که ویژگی‌های طیفی سازگار با حالت‌های لبه مارپیچ را حفظ می‌کنند، شناسایی کنند. هنگامی که یک کانال لبه بر تونل الکترونی غالب است، معکوس کردن قطبیت بایاس نمونه، جهت ورود یا خروج الکترون ها به نوک را تغییر می دهد و بنابراین می تواند حساسیت اسپین آن را تغییر دهد.

برای آزمایش این اصل، محققان دو آهنربای ثابت را بررسی کردند. در Fe12Te، کنتراست نوار مغناطیسی با قطبیت ولتاژ معکوس شد. در FeGe، کنتراست بین لایه های سلول واحد مجاور به طور قابل توجهی تغییر کرد زمانی که یک میدان مغناطیسی خارجی باعث انتقال اسپین فلاپ در نمونه شد.

سپس تیم تحقیقاتی کاوشگر را روی KV2Se2O، یک مغناطیس جایگزین نامزد اعمال کرد. مغناطیس‌های جایگزین مغناطیسی خالص ندارند، اما تبادل مغناطیسی می‌تواند نوارهای الکترونیکی را در الگویی که در فضای تکانه متناوب مطابق با تقارن‌های کریستالی منحصربه‌فردشان تغییر می‌کند، تقسیم کند. شناسایی این نظم مستلزم پیوند ساختار اتمی محلی به رفتار الکترونیکی وابسته به اسپین است.

در سطح KV2Se2O، تصویربرداری اتمی یک مدولاسیون شبکه مربوط به موج تراکم و سایت‌های وانادیوم مرتبط با تقارن را نشان داد. تجزیه و تحلیل تصاویر به دست آمده در قطب های ولتاژ مخالف، یک الگوی فضای واقعی مطابق با ضد فرومغناطیس شطرنجی به همراه داشت.

طیف‌سنجی میدان مغناطیسی بیشتر نشان داد که انرژی‌های برانگیختگی‌های مرتبط با نقص که در امتداد دو جهت کریستالی متعامد گسترش می‌یابند به روش‌های مخالف تغییر می‌کنند و از قطبش‌های اسپین مخالف پشتیبانی می‌کنند.

محققان همچنین تداخل شبه ذرات را تصویر کردند - الگوهای موجی که هنگام پراکندگی الکترون ها ایجاد می شود. با نوک α-Bi4Br4، آنها مشاهده کردند که جهت غالب دو ویژگی پراکندگی متعامد، زمانی که قطبیت بایاس معکوس شد، 90 درجه چرخیده است. نوک های غیر مغناطیسی معمولی هیچ معکوس قابل مقایسه ای نشان ندادند.

اندازه‌گیری‌های کنترلی بیشتر نشان داد که ناهمسانگردی ساختاری، کرنش موضعی یا گزینش مداری به تنهایی نمی‌تواند به راحتی مشاهدات را توضیح دهد.

همراه با تجزیه و تحلیل نظری، این مشاهدات از نظم مغناطیسی موج d در لایه سطحی KV2Se2O پشتیبانی می کنند. به طور گسترده‌تر، این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه حالت‌های لبه توپولوژیکی می‌توانند به اجزای عملکردی ابزارهای مقیاس اتمی، با کاربردهای بالقوه برای سایر مواد دو بعدی و مویر تبدیل شوند.

ژویینگ وانگ و همکاران، سنجش اسپین در مقیاس اتمی مغناطیس آلترمغناطیس 2 بعدی موج d از طریق تونل زنی مارپیچ، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11257-1. www.nature.com/articles/s41586-026-11257-1

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →