馮新亮最新Nature：純有機材料中的強相關性

【引言】

在一維情況下，量子漲落淬滅了長程磁序，使得奇異現象出現。具有反鐵磁性海森堡交換的自旋鏈缺乏經典的磁序，在基態上方有連續激發態的無間隙激發光譜的概念，可以追溯到貝特在近一個世紀前對S=1/2鏈所做的早期理論工作。與半整數自旋鏈相反，Haldane預言具有周期邊界條件的整數自旋鏈應該在單重基態和第一激發態之間有激發譜，稱為Haldane gap。后來發現，開放的S=1鏈在鏈端附加了分數S=1/2的邊態。這些邊態通過邊間的有效交換耦合，產生單重態條紋分裂，這種分裂隨著鏈長的增加呈指數衰減，導致基態在熱力學極限下退化四倍。基態簡并依賴于鏈的開放或閉(循環)性質的情形是拓撲序的一個標志。在S=1鏈的情況下，拓撲序與SO (3)、時間反轉和鏈路反轉等對稱性相關聯，稱為對稱保護拓撲序。

在過去的三十年里，大量的實驗工作探索了含有準一維S=1鏈過渡金屬離子的材料中Haldane能隙和分數邊激發的存在性。然而，過渡金屬離子的磁各向異性和在這些材料中固有存在的有限的鏈間磁交換對Haldane phase的出現是不利的。實現自旋鏈物理實現的另一種途徑是利用掃描隧道顯微鏡(STM)成像和操縱固體表面單個原子或分子的能力，結合STM在原子尺度上測量局域電子結構和磁激發的能力，近年來人們按需制備了原子自旋鏈，并演示了其中復雜的磁相互作用和拓撲現象，包括量子S=1/2模型的實現。盡管人們對這種效應進行了預測，然而迄今為止，這種方法還沒有實現Haldane phase。

今日，來自德國德累斯頓工業大學和馬普微結構物理研究所的馮新亮、瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的Pascal Ruffieux、葡萄牙國際伊比利亞納米技術實驗室的Joaquín Fernández-Rossier課題組，采用表面合成的方法制備了一維含S=1多環芳香烴三角烯的自旋鏈。利用掃描隧道顯微鏡和4.5 K下的光譜，在原子尺度上探測了開放自旋鏈和循環自旋鏈中長度依賴的磁激發，并直接觀察到其中的間隙自旋激發和分數階邊態。精確的對角化計算提供了決定性的證據，證明自旋鏈在Haldane對稱保護拓撲相中是由S=1雙線性-雙二次哈密頓量描述的。相關論文以題為“Observation of fractional edge excitations in nanographene spin chains”發表在Nature上。??

【圖文導讀】

圖1.?三角形自旋鏈的表面合成及零能量邊緣激發的觀察

圖2.?開放三角形自旋鏈的價鍵立體圖和自旋激發的理論計算

圖3.?選擇開放三角形自旋鏈的磁激發及其與雙線性雙二次模型的比較

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圖4. N=6和13個循環三角自旋鏈的磁激發及其與雙線性雙二次模型的比較

文獻鏈接：“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