《Nature Materials》：纳米石墨烯基反铁磁自旋1/2海森堡链的自旋激发

背景介绍

在一维量子磁体中，强烈的量子涨落抑制了自发对称性破缺，从而导致了诸如共振价键态等量子无序多体态的出现，其中反铁磁耦合的自旋-1/2海森堡链作为量子磁学的典型模型，其在热力学极限下因自旋子分数化激发而形成无能隙的激发谱，且基态自旋随自旋间距的增大而反比衰减，这反映了量子涨落如何阻碍了奈尔有序的形成。然而该理论模型的实验验证长期受限于准一维晶体中难以消除的链间耦合（易引发二聚化或磁有序）以及难以获得结构明确的有限链，也阻碍了对自旋激发随链长演变规律以及偶数链与奇数链之间迥异行为的系统性研究。纳米技术的进步促使人们开发出人工自旋链，但在这些平台上制备具有各向同性交换相互作用且其强度超过偶极耦合的长链仍极具挑战性。纳米石墨烯凭借其显著的π电子磁性、共价键连接能够有效保留单个磁性纳米石墨烯的多体相互作用，从而确保自旋激发与链的前沿 Hubbard 带之间保持良好分离、可忽略的自旋-轨道耦合以及通过表面合成实现原子级精确构筑的优势，成为实现并研究高度纠缠量子自旋系统的理想平台，并有望应用于基于绝缘体的反铁磁自旋电子学领域。

内容简介

图 1  利用奥林匹克烯制备自旋-1/2海森堡链

本研究中将Au(111)表面上以共价键方式将特制的开壳纳米石墨烯（奥林匹克烯）连接成链，从而构建出各向同性的自旋-1/2海森堡链（图1a，左侧为子晶格分辨的奥林匹克烯单体的结构示意图，右侧为共价连接的奥林匹克烯自由基链的化学结构）。根据奥夫钦尼科夫—利布规则，每个奥林匹克烯由于存在一个亚晶格不平衡而具有自旋-1/2基态。图1b、c分别展示了利用扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）对单个奥林匹克烯分子在Au(111)表面上的结构表征。在其上采集的dI/dV谱显示出尖锐的Kondo峰（图1d），表明该分子在金属表面具有自旋为1/2的单元。通过将奥林匹克烯分子在其多数碳位点共价连接，可诱导出最近邻反铁磁交换耦合J（图1a）。这一过程已在Au(111)表面上通过热引发的溴代前驱分子聚合实验得以实现（图1e），随后进行氢化处理，将C=O基团替换为CH₂基团，从而得到一条氢钝化的奥林匹克烯链（图1f）。在最后一步中，借助针尖诱导脱氢反应，实现了自旋位点的选择性激活（图1g）。

总结概述

反铁磁海森堡链表现出两种不同类型的激发谱：整数自旋链具有能隙，而半整数自旋链无能隙。然而，在有限长度的半整数自旋链中，量子化会引入能隙，因此需要精确控制足够长的链来研究其演化过程。

在此，本研究通过共价连接奥林匹辛——环形的磁性纳米石墨烯——创建了长度可控的自旋-1/2海森堡链。该系统具有大的交换相互作用、可调的长度和可忽略的磁各向异性，是利用非弹性电子隧穿谱研究长度依赖的自旋激发的理想平台。本研究观察到最低激发能随长度  呈幂律衰减，在大  区域遵循  的依赖关系，与理论一致。对于 ，V形的激发连续谱证实了热力学极限下的无能隙行为。此外，构建奇数自旋链的能力使本研究能够对单个自旋子驻波进行成像。鉴于自旋子是难以形成直观图像的准粒子，这是研究原型量子自旋链中自旋子性质及其相互作用的重要起点。

文章信息

该研究以 “Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains” 为题，于2025年3月14日发表于《Nature Materials》。第一作者为Chenxiao Zhao、Lin Yang和 João C. G. Henriques，通讯作者为 Chenxiao Zhao、Xinliang Feng、Pascal Ruffieux、Joaquin Fernández-Rossier和 Roman Fasel。作者来自瑞士联邦材料科学与技术实验室、德累斯顿工业大学、马克斯·普朗克微结构物理研究所、国际伊比利亚纳米技术实验室、中国科学院大学等机构。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02166-1