物理所国际首次实现朗德g因子原子尺度上的空间分辨

　　理解与调控纳米量子结构的自旋特性是自旋电子学领域前沿研究课题。例如，原子的朗德g因子，它反映了原子所在空间环境的局域精细自旋相互作用，可以为分子自旋态的调控及其在未来自旋器件中的应用提供重要信息。对于分子体系，通常的技术手段测得的g因子是大量分子的平均信息，无法得到单分子内部的在单原子尺度上g因子的空间依赖关系，即更加精细的自旋相互作用。这限制了对单分子磁性等基本物理量的深入理解及其进一步应用。因此，在该研究方向上急需回答与解决的问题有两个。第一，g因子是否存在空间分布的不均匀性？第二，若存在，如何直接在单原子尺度上测量和描述g因子的空间分布。这是国际上该领域长期存在的两个具有极强挑战性的难题。

　　一直以来，在对磁性量子体系的研究中，测得的g因子都是在空间上均匀分布的。为了创造g因子在空间分布不均匀的体系，中国科学院物理研究所研究员高鸿钧团队在过去十多年的时间里，开展了系统研究和探索。上个世纪末，他们用扫描隧道显微镜（STM）成功地实现了单个原子的操纵与纳米结构的组装。2007年，他们报道了吸附于Au(111)表面的磁性分子酞菁铁的研究工作，发现分子吸附位置对近藤（Kondo）效应的调控【Phys. Rev. Lett. 99, 106402 (2007)】，这是国际上首次报道固体表面吸附位置对单分子近藤效应的调控。2013年，他们通过控制H原子在酞菁锰（MnPc）分子中心的吸附与脱附，在国际上首次实现单个自旋量子态的可控且可逆转变，并成功地将其原理性地应用于超高密度（280Tb/inch2）的信息存储【Scientific Reports 3, 1210 (2013)】；同时，还发现金属酞菁分子吸附不同数量的H原子会影响金属表面的分子手性【ACS Nano 8, 2246 (2014)】。

　　近期，高鸿钧研究组的博士研究生刘立巍、杨锴等终于设计出一种“功能分子”，使其在原子尺度上呈现出g因子的空间不均匀性。他们在MnPc分子上通过STM进行原子“手术”，实现了这种“功能分子”的设计。然后，他们利用扩展的近藤效应（extended Kondo effect）的实验，在单原子尺度上实现了g因子的空间分辨。原子处在晶体场（crystal field）中时，自旋轨道耦合作用（spin-orbit interaction）会将激发态的轨道角动量本征态与基态混杂，从而使原子的g因子偏离处于自由状态时的值。因此，通过测量单分子不同位置处的g因子的大小，就可以得到自旋轨道耦合作用在单分子尺度的空间分布信息。在这项工作中，他们首先利用STM针尖，对吸附在Au(111)表面的MnPc分子施加电压脉冲，进行逐步脱氢。去掉氢原子的苯环部分发生弯曲，伸向金基底。脱氢后的MnPc分子展现出了扩展的Kondo效应：在分子的非磁性原子部分也可以探测到Kondo共振。密度泛函理论计算表明，脱氢后，分子骨架的对称性降低，从而导致了自旋极化的出现。通过测量脱氢后分子不同位置的Kondo共振峰在磁场下的劈裂，就得到了g因子的空间分布。实验上发现，g因子的分布是不均匀的，表明了不同分子轨道的自旋轨道耦合作用是不同的。这项工作为探索单分子内部的自旋相关的特性提供了新的途径。

　　马里兰大学教授欧阳敏、纽卡斯尔大学教授W. Hofer、新加坡国立大学教授A. H. Castro Neto在机理研究方面参与了该工作讨论与合作。该项目得到了国家自然科学基金、“973”项目和中国科学院的支持。相关结果作为Cover Story (封面论文)和Editors’ Suggestions（编辑选择）发表在3月27日出版的《物理评论快报》上【Phys. Rev. Lett. 114, 126601 (2015)】。

图1. MnPc分子在逐步脱去氢原子后的STM形貌和dI/dV谱线的变化

图2. 脱氢后的MnPc分子表现出扩展的Kondo效应

图3. 第一性原理计算表明脱氢后在非磁性原子（C, N）上出现了自旋极化

图4. 利用Kondo共振峰在磁场下的劈裂得到了g因子的空间分布