近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于平課題組與蔣易凡課題組、甄家勁課題組以及上海交通大學(xué)李燦博士合作，在金（Au）表面上成功合成了以?shī)W林匹克烯為最小單元的海森堡反鐵磁自旋鏈，并對(duì)其自旋子激發(fā)的物理現(xiàn)象進(jìn)行探究。該研究發(fā)表于國(guó)際著名期刊《自然合成》（Nature Synthesis）。
自旋為1/2的海森堡反鐵磁鏈?zhǔn)翘剿髁孔哟判蕴卣骱蜏?zhǔn)粒子激發(fā)的理想一維平臺(tái)，在原子尺度上探究量子磁性和準(zhǔn)粒子激發(fā)對(duì)于操縱量子自旋系統(tǒng)至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，制備高質(zhì)量的一維自旋1/2反鐵磁鏈極為關(guān)鍵。
為了獲得高質(zhì)量的一維1/2反鐵磁自旋鏈，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)溶液有機(jī)合成與表面合成相結(jié)合（如圖1所示）：首先在溶液中合成前驅(qū)體分子1；然后在超高真空環(huán)境中在A(yíng)u(111)表面上通過(guò)烏爾曼偶聯(lián)合成奧林匹克酮一維聚合物；其次，研究團(tuán)隊(duì)首次將裂解H原子還原技術(shù)用于1/2反鐵磁鏈的合成，將奧林匹克酮聚合物的酮基官能團(tuán)進(jìn)行還原；最后利用掃描隧道顯微鏡特有的針尖操縱技術(shù)實(shí)現(xiàn)一維1/2海森堡反鐵磁鏈。以上過(guò)程的產(chǎn)物都通過(guò)非接觸式的原子力顯微鏡（nc-AFM）進(jìn)行表征。
圖1: 一維海森堡自旋鏈的合成路徑以及結(jié)構(gòu)表征
研究團(tuán)隊(duì)利用掃描隧道譜學(xué)技術(shù)（STS）對(duì)不同長(zhǎng)度的鏈的電磁性質(zhì)進(jìn)行探究（圖2），發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)現(xiàn)象：其一，無(wú)論是奇數(shù)鏈還是偶數(shù)鏈，均可以測(cè)量到一對(duì)（二聚體）或多對(duì)非彈性隧穿特征的磁激發(fā)信號(hào)，這些磁激發(fā)信號(hào)最小的激發(fā)能隙隨著長(zhǎng)度增加而減小。其二，奇數(shù)鏈的奇數(shù)位點(diǎn)上還能測(cè)量到零能共振峰。這一方面是由于隨著鏈長(zhǎng)度增加，出現(xiàn)了更多復(fù)雜的磁激發(fā)態(tài)特征導(dǎo)致；另一方面是由于奇數(shù)鏈的磁基態(tài)為S=1/2，偶數(shù)鏈的磁基態(tài)為S=0。
圖2: dI/dV譜測(cè)量不同長(zhǎng)度的奧林匹克烯自旋鏈
圖3：探究自旋子色散
為了探究海森堡反鐵磁鏈的準(zhǔn)粒子性質(zhì)，科研人員還探究了較長(zhǎng)的奧林匹克烯自旋鏈。通過(guò)對(duì)不同位點(diǎn)的dI/dV譜進(jìn)行二次微分并傅里葉變換，成功觀(guān)測(cè)到1/2反鐵磁鏈自旋子激發(fā)的色散關(guān)系（圖3c）
，且與理論模擬（圖3d）的結(jié)果十分吻合。
本工作展示了一種通過(guò)表面合成和氫原子還原技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)量子磁性材料的新合成策略，不僅成功實(shí)現(xiàn)了一維奧林匹克烯海森堡1/2反鐵磁自旋鏈，深入探究了其磁激發(fā)性質(zhì)，并觀(guān)測(cè)到了與理論計(jì)算相一致的自旋子準(zhǔn)粒子激發(fā)，從而為未來(lái)制造和探索其他奇異量子材料提供了嶄新研究思路和策略。
上?？萍即髮W(xué)是該成果的第一完成單位。物質(zhì)學(xué)院的交叉科研團(tuán)隊(duì)跨物理、化學(xué)、理論等不同領(lǐng)域，其良好的協(xié)同合作促成了本次原創(chuàng)成果的產(chǎn)生。上科大物質(zhì)學(xué)院于平課題組博士后蘇學(xué)磊、博士生丁志浩、博士生洪燁為文章的共同第一作者，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院于平教授、蔣易凡教授、甄家勁教授以及上海交通大學(xué)李燦博士為共同通訊作者。
論文標(biāo)題：Fabrication of spin-1/2 Heisenberg antiferromagnetic chains via combined on-surface synthesis and reduction for spinon detection
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