复旦大学联合多所机构为超级显微镜的成像作用奠定了基础

05-17

2019年5月17日，复旦大学Wu Ruqian及加州大学欧文分校W.Ho共同通讯在Science在线发表题为“Probing and imaging spin interactions with a magnetic single-molecule sensor”的研究论文，该研究探测，表征和成像连接到扫描隧道显微镜（STM）尖端的NiCp2分子和吸附在Ag（110）表面上的另一个NiCp2分子之间的自旋 - 自旋相互作用。另外，进一步使用探针对交换相互作用强度的轮廓进行成像，揭示了两个磁性分子的量子态强烈混合的埃级尺度区域。研究结果为基于磁性单分子传感器的新纳米级成像能力铺平了道路。

磁性单原子和分子因其作为最小可能记忆，自旋电子和量子位元素的潜力而受到越来越多的研究关注。 用于研究这些系统的扫描探针显微镜从使用分子功能化尖端增强空间和光谱分辨率，以及实现新感测功能的新技术中获益匪浅。

磁性单原子和分子代表磁记忆存储，自旋电子学和自旋 - 自旋相互作用的基础研究中的最终空间极限。由于最近在增加激发自旋态寿命），自旋相干寿命等方面的突破，这些系统也被重新考虑作为量子计算的平台。迫切需要开发能够跟随旋转系统与其本地环境相互作用的技术。扫描探针显微镜（SPM）技术具有特定的实验优势，因为它们能够对单个原子和分子进行成像以及表征其吸附环境。此外，SPM可用于研究自旋翻转动力学，通过使用非弹性电子隧道谱，通过自旋极化扫描隧道显微镜观察状态的探针自旋密度，用原子力显微镜感测磁交换力，测量泵浦探针方案中的激发自旋态寿命，并解析单个原子的电子顺磁共振。

NiCp2和NiCp2-tip / NiCp2-surf自旋翻转激发的光谱学

在过去的十年中，单分子功能化的SPM技巧提供了前所未有的空间分辨率。尖端顶点处的单个分子表现为具有通过化学设计可调节的功能的传感装置，其可以检测由其他纳米物体产生的短程分子间力或静电场。然而，尽管设计的磁性分子原则上可以提供自旋特性和传感器功能的广泛性，但是使用磁性分子尖端作为局部磁场或自旋 - 自旋相互作用的传感器仍然具有挑战性。最近，研究表明，单个分子的二茂镍（NiCp2，其中Cp是环戊二烯基）在吸附到Cu（100）表面或Cu尖端顶点上时保持其S = 1自旋三重态基态并且可以提供实现分子自旋传感器。

成像轮廓的自旋交换相互作用强度

在这里，研究人员探测，表征和成像连接到扫描隧道显微镜（STM）尖端的NiCp2分子和吸附在Ag（110）表面上的另一个NiCp2分子之间的自旋 - 自旋相互作用。 通过执行自旋翻转激发的非弹性电子隧道谱（IETS）测量作为尖端表面距离的函数，揭示了在分子之间的真空间隙上发生自旋 - 自旋耦合。研究人员通过获取一系列IETS图像，进一步证明了横向平面中两个分子之间磁相互作用强度的映射，这些图像揭示了集中激发态自旋密度的高度局部化区域和量子态混合产生的特征。

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