自旋极化扫描隧道显微镜的研究进展

自旋极化扫描隧道显微镜(spin-polarized scanning tunneling microscope,SP-STM)将扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)的实空间分辨率和对自旋敏感的磁成像技术结合起来,已经成为人们研究纳米磁性物理的最有效工具之一.文章介绍了SP-STM的工作原理及其在低维磁性物理领域的应用和最新进展,如对磁性薄膜、磁性纳米岛、磁性原子及不共线结构的研究等,并对我国在这一领域的研究现状和发展前景进行简要评述.

自旋极化扫描隧道显微术

介绍一种新近发展起来的用于磁性表面磁成像技术———自旋极化扫描隧道显微术。该技术结合了扫描隧道显微术的原子分辨和其他磁成像技术中的自旋灵敏的特点 ,成为人们深入开展纳米磁性领域研究的强有力工具。

石墨烯体系中自旋和赝自旋的扫描隧道显微镜研究

石墨烯是由碳原子密堆积形成的具有六角蜂窝状结构的二维晶体,其简单的晶格结构和稳定的化学性质为构建理想的模型体系提供了极大的便利.石墨烯中的电子具有自旋、子格赝自旋、谷赝自旋等多重自由度,可以实现一系列新奇而丰富的量子物态.理论预言,石墨烯中的原子级缺陷可以诱导缺陷附近的局域电子形成自旋或赝自旋极化态.本文主要介绍利用扫描隧道显微镜技术探测并调控石墨烯中自旋和赝自旋自由度的方法,并着重展示研究思路和近年来北京师范大学在本领域的研究进展,力图让学生掌握基本的科学研究方法,同时希望为相关领域的科研人员提供借鉴.

使用扫描电子显微镜观察磁体在高温下的磁畴

日本东京的日立公司利用自旋极化扫描电子显微镜（SEM）观察了永磁体在加热和有外磁场时磁畴结构的变化。观察了单晶钴在温度升高到500℃时磁畴结构的变化。他们已经成功地利用这一技术研究了钕一铁一硼和强磁性永磁体在单纯加热到500℃的条件下以及在加热到250℃同时有外加热磁场高达1000Oe条件下磁畴结构的变化。

自旋极化扫描隧道显微术

自旋极化扫描隧道显微术是一种新兴的表面自旋分辨技术 .文章主要介绍了自旋极化的扫描隧道显微镜和扫描隧道谱实现表面自旋分辨的原理以及在各种磁性表面研究中的应用 .采用自旋极化技术的扫描隧道显微镜可以测量表面磁结构 ,其空间分辨可以达到原子尺度 ,分辨率超过其他磁显微技术 .而自旋极化扫描隧道谱不但可以分辨空间精细磁畴结构 ,而且能研究表面态的交换劈裂 .文章作者还进一步提出了利用自旋极化扫描隧道显微镜实现自旋注入的设想 .

一种电子-核子双自旋固体量子计算机实现方案

提出了一种利用电子-核子自旋的半导体固体量子计算机实现方案，通过扫描隧道显微镜的针尖实现单个比特的寻址、操作以及任意两个比特之间的受控非门操作，方案中所涉及到的技术是目前已有的或者是接近于现有的技术水平，所提出的方案有可能利用现有的技术来实现。

我国化学界成功实现世界首次单分子自旋态控制

科技时报合肥9月5日讯中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室的侯建国院士、杨金龙教授和朱清时院士等科研人员利用低温超高真空扫描隧道显微镜，巧妙地对吸附于金属表面的钴酞菁分子进行“单分子手术”，成功实现了单分子自旋态的控制。

二维磁结构的扫描隧道显微术研究

文章介绍了近年来利用扫描隧道显微术 (STM)对表面和薄膜磁结构的研究进展 .二维或表面磁结构可以通过在非磁性单晶上外延磁性单原子层薄膜形成 ,也可以在清洁的磁性单晶表面形成 .利用磁性的STM针尖可以观测到原子分辨的表面磁结构 .这将增进人们从纳米尺度对磁性的理解 ,并推动磁电子学的发展 .

表面单分子量子态的探测和调控研究进展

单分子体系是一种典型的受限量子体系,且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强,因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态,这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能.对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件.由于单分子体系的尺寸限制,宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测.扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力,高分辨的成像和谱学能力,可以实施原位的分子操纵,还可以与多种外场和局域场表征技术联用,是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具.本文撷取这一领域较为代表性的进展,介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状.首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段,然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性.对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系,分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍.最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望.

磁性分子自旋态检测与调控的STM研究

单分子自旋态检测与可逆调控是目前物理、化学及信息技术等领域的研究热点.本文综述了扫描隧道显微镜在该领域的研究进展,着重论述了酞菁类磁性分子在金属单晶表面或绝缘层薄膜上磁性的检测;自旋交叉配合物分子自旋双稳态的检测与可逆调控;单分子磁体的表面制备及输运性质的检测.

氢原子吸附对金表面金属酞菁分子的吸附位置、自旋和手征性的调控

实现单个功能有机分子构型、电子结构和自旋态的可逆调控,是未来分子电子学和分子自旋电子学应用的关键.近年来,我们利用极低温强磁场超高真空扫描隧道显微镜系统,结合第一性原理计算,系统研究了氢原子吸附对金表面吸附的金属酞菁分子的自旋、手性和吸附位置的调控.通过将金表面吸附的酞菁锰分子暴露于氢气或氢原子环境,使得分子中心的磁性离子吸附单个氢原子,从而实现了体系近藤效应由"开"到"关"的转变.基于密度泛函理论的第一性原理计算表明,氢原子吸附使得锰离子3d轨道内的电荷重排导致了分子的自旋由3/2降为1;同时分子与金基底的间距增大,使得近藤效应消失.通过施加局域电压脉冲或者给样品加热,可以实现单个或所有分子脱氢,从而恢复体系的自旋态和近藤效应.氢原子吸附还导致分子的优先吸附位置从金表面的面心立方堆垛区域变成了六角密排堆垛区域.三个氢原子吸附于同一酞菁锰分子上,可导致分子对称性的降低及分子镜面对称轴与金基底镜面对称轴的偏离,从而导致手征性的出现.这种分子吸附结构的手征性,导致分子轨道也呈现出手征性.这项工作为金属酞菁未来在分子电子学、自旋电子学、气体传感器等方面的应用提供了新思路.

对单个原子磁极化的观察

美国加州伯克利分校的M．Crommie博士和他在美国海军科学实验室的同行们进行了一项实验研究．他们测定了金属表面上附加的单个原子的自旋性质．首先，他们在铜晶面（111晶面）上形成多个三角形的钴原子岛．由于钴金属是铁磁体，因此钴原子的自旋会以相同的排列方向形成畴，即有些岛域的钴原子自旋是向上的，而另一些岛域的自旋是向下的．还有一些磁性原子分散在小岛上，被称为吸附原子，它们将与作为基底的钴原子发生磁相互作用，从而使吸附原子的自旋有的向上，有的向下．接着再抛撒一些铁原子（有时也使用铬原子）到钴原子岛上，这些铁原子（原子问的距离至少有5nm远）迅速被磁化．用这种方法可测定分离的单个原子的极化状态．利用隧道扫描显微镜（STM）的探针去测试已被磁极化了的吸附原子的量子能级．

单个钴酞菁分子中心钴离子自旋态的控制和近藤效应

吸附在Au（111）表面的钻酞菁分子中心的二价钻离子的局域磁矩完全消失，不表现出近藤效应。中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）侯建国和杨金龙研究组，利用扫描隧道电子显微镜探针施加电压脉冲，切除了钴酞菁分子的8个氢原子，并使钴酞菁分子以化学键的形式结合在Au（111）表面上。结果发现，在这个人造分子上钴离子的局域自旋态被恢复，而且在费米面附近出现了明显的近藤效应。

我国学者观测到范德瓦尔斯层间堆叠结构对二维磁性的调控

在国家自然科学基金项目(批准号:11427902,11674063)等的资助下,由复旦大学与美国华盛顿大学等单位合作,基于自主设计和研制的低温强磁场非线性磁光显微镜和自旋极化扫描隧道显微镜,在二维磁性材料双层三卤化铬(CrX3)中发现了由范德瓦尔斯层间堆叠结构关联的铁磁、反铁磁磁性,为理解范德瓦尔斯作用下的磁耦合机理提供了关键性的实验证据。

Spin Configuration and Super-exchange Mechanism in Molecular Magnets Observed

Jointly supported by the National Natural Science Foundation of China,Ministry of Science and Technology and Chinese Academy of Sciences,Ma Xucun's group in CAS Institute of Physics and Condensed Matter Physics National Lab,in cooperation with Xue Qikun's research team in the Department of Physics of Tsinghua University,studied the super exchange mechanism in cobalt phthalocyanine(CoPc)thin

用SEM观察在高温下的磁畴

日立公司使用自旋极化扫描电子显微镜（SEM）技术观察了在高温条件下磁场中的磁畴，观察了500℃以上的单晶钻的磁畴结构。