冯新亮最新Nature：纯有机材料中的强相关性

【引言】

在一维情况下，量子涨落淬灭了长程磁序，使得奇异现象出现。具有反铁磁性海森堡交换的自旋链缺乏经典的磁序，在基态上方有连续激发态的无间隙激发光谱的概念，可以追溯到贝特在近一个世纪前对S=1/2链所做的早期理论工作。与半整数自旋链相反，Haldane预言具有周期边界条件的整数自旋链应该在单重基态和第一激发态之间有激发谱，称为Haldane gap。后来发现，开放的S=1链在链端附加了分数S=1/2的边态。这些边态通过边间的有效交换耦合，产生单重态条纹分裂，这种分裂随着链长的增加呈指数衰减，导致基态在热力学极限下退化四倍。基态简并依赖于链的开放或闭(循环)性质的情形是拓扑序的一个标志。在S=1链的情况下，拓扑序与SO (3)、时间反转和链路反转等对称性相关联，称为对称保护拓扑序。

在过去的三十年里，大量的实验工作探索了含有准一维S=1链过渡金属离子的材料中Haldane能隙和分数边激发的存在性。然而，过渡金属离子的磁各向异性和在这些材料中固有存在的有限的链间磁交换对Haldane phase的出现是不利的。实现自旋链物理实现的另一种途径是利用扫描隧道显微镜(STM)成像和操纵固体表面单个原子或分子的能力，结合STM在原子尺度上测量局域电子结构和磁激发的能力，近年来人们按需制备了原子自旋链，并演示了其中复杂的磁相互作用和拓扑现象，包括量子S=1/2模型的实现。尽管人们对这种效应进行了预测，然而迄今为止，这种方法还没有实现Haldane phase。

今日，来自德国德累斯顿工业大学和马普微结构物理研究所的冯新亮、瑞士联邦材料科学与技术实验室的Pascal Ruffieux、葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的Joaquín Fernández-Rossier课题组，采用表面合成的方法制备了一维含S=1多环芳香烃三角烯的自旋链。利用扫描隧道显微镜和4.5 K下的光谱，在原子尺度上探测了开放自旋链和循环自旋链中长度依赖的磁激发，并直接观察到其中的间隙自旋激发和分数阶边态。精确的对角化计算提供了决定性的证据，证明自旋链在Haldane对称保护拓扑相中是由S=1双线性-双二次哈密顿量描述的。相关论文以题为“Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains”发表在Nature上。

【图文导读】

图1. 三角形自旋链的表面合成及零能量边缘激发的观察

图2. 开放三角形自旋链的价键立体图和自旋激发的理论计算

图3. 选择开放三角形自旋链的磁激发及其与双线性双二次模型的比较

图4. N=6和13个循环三角自旋链的磁激发及其与双线性双二次模型的比较

文献链接：“Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains”. Nature 598, 287–292 (2021). https://doi-org-443.webvpn.bjmu.edu.cn/10.1038/s41586-021-03842-3