今日Science：磁性单分子传感器的自旋相互作用的探测和成像

木文韬 5年前 (2019-05-17) 6581浏览

【引言】

磁性单原子和分子是磁存储器、自旋电子学和自旋-自旋相互作用的基础研究的最终空间限制。由于最近在提高激发自旋态寿命、剩磁温度和自旋相干寿命方面的突破，这些系统现在也被重新考虑作为量子计算的平台。迫切需要开发能够遵循自旋系统与本地环境交互的技术。扫描探针显微镜（SPM）技术提供了特定的实验优势，因为它们能够对单个原子和分子进行成像以及表征其吸附环境。在过去的十多年中，单分子功能化的SPM针尖提供了前所未有的空间分辨率。尖端的单个分子作为一个传感装置，通过化学设计可以调节其功能，可以检测其他纳米物体产生的短程分子间力或静电场。然而，尽管设计的磁性分子原则上可以提供自旋特性和传感器功能的广泛性，但是使用磁性分子尖端作为局部磁场或自旋-自旋相互作用的传感器仍然具有挑战性。近年来，研究表明，单分子二茂镍（NiCp₂，其中Cp是环戊二烯）在吸附到Cu(100)表面或Cu尖端时，仍保持着S=1的自旋三重态，为分子自旋传感器的实现提供了可能。

【成果简介】

今日，在加州大学尔湾分校、复旦大学Wilson Ho教授和加州大学尔湾分校Ruqian Wu教授团队（共同通讯作者）带领下，展示了一种显微镜技术，该技术使用一个磁性分子NiCp₂，吸附在扫描探针尖端，以连续可调的方式检测在所有三个空间方向上与吸附在Ag(110)表面上的另一个分子之间的交换相互作用，并对其进行了表征和成像。利用非弹性电子隧穿光谱法（IETS）测量了自旋反转激发随尖端表面距离的变化，揭示了在分子之间的真空间隙上发生自旋-自旋耦合。通过获得一系列IETS图像，展示了两个磁性分子的量子态强烈混合的埃级尺度区域，揭示了高度集中的激发态自旋密度的局域区域以及量子态混合产生的特征。团队的研究结果为基于磁性单分子传感器的新型纳米成像能力铺平了道路。相关成果以题为“Probing and imaging spin interactions with a magnetic single-molecule sensor”发表在了Science上。