今日Science：磁性單分子傳感器的自旋相互作用的探測和成像

木文韜 4年前 (2019-05-17) 6322瀏覽

【引言】

磁性單原子和分子是磁存儲器、自旋電子學和自旋-自旋相互作用的基礎研究的最終空間限制。由于最近在提高激發自旋態壽命、剩磁溫度和自旋相干壽命方面的突破，這些系統現在也被重新考慮作為量子計算的平臺。迫切需要開發能夠遵循自旋系統與本地環境交互的技術。掃描探針顯微鏡（SPM）技術提供了特定的實驗優勢，因為它們能夠對單個原子和分子進行成像以及表征其吸附環境。在過去的十多年中，單分子功能化的SPM針尖提供了前所未有的空間分辨率。尖端的單個分子作為一個傳感裝置，通過化學設計可以調節其功能，可以檢測其他納米物體產生的短程分子間力或靜電場。然而，盡管設計的磁性分子原則上可以提供自旋特性和傳感器功能的廣泛性，但是使用磁性分子尖端作為局部磁場或自旋-自旋相互作用的傳感器仍然具有挑戰性。近年來，研究表明，單分子二茂鎳（NiCp₂，其中Cp是環戊二烯）在吸附到Cu(100)表面或Cu尖端時，仍保持著S=1的自旋三重態，為分子自旋傳感器的實現提供了可能。

【成果簡介】

今日，在加州大學爾灣分校、復旦大學Wilson Ho教授和加州大學爾灣分校Ruqian Wu教授團隊（共同通訊作者）帶領下，展示了一種顯微鏡技術，該技術使用一個磁性分子NiCp₂，吸附在掃描探針尖端，以連續可調的方式檢測在所有三個空間方向上與吸附在Ag(110)表面上的另一個分子之間的交換相互作用，并對其進行了表征和成像。利用非彈性電子隧穿光譜法（IETS）測量了自旋反轉激發隨尖端表面距離的變化，揭示了在分子之間的真空間隙上發生自旋-自旋耦合。通過獲得一系列IETS圖像，展示了兩個磁性分子的量子態強烈混合的埃級尺度區域，揭示了高度集中的激發態自旋密度的局域區域以及量子態混合產生的特征。團隊的研究結果為基于磁性單分子傳感器的新型納米成像能力鋪平了道路。相關成果以題為“Probing and imaging spin interactions with a magnetic single-molecule sensor”發表在了Science上。