一种材料中独特的电子状态，能否成为测量另一种材料的工具？答案是肯定的。中国科学技术大学陈仙辉院士、王震宇教授团队与合作者将拓扑材料溴化铋单晶制备成扫描隧道显微镜针尖，利用螺旋边界态获得了原子尺度的自旋分辨探测能力。依托该技术，研究团队直接观测到钾钒硒氧表面存在一种特殊的磁性——交错磁序。相关研究成果近日发表于《自然》。从寻找到利用拓扑边界态“这项工作的起点是量子自旋霍尔效应。”论文共同通讯作者王震宇向《中国科学报》介绍。一种材料“绝缘”，通常是指电子难以从中通过。在量子自旋霍尔体系中，材料内部与边界的电子行为可以截然不同——内部呈现绝缘性，而边界却能承载特殊的电子通道。同一条边界上，沿相反方向传播的电子具有相反的自旋特征，这便是“自旋-动量锁定”，这类边界态也被称为螺旋边界态。螺旋边界态并不常见。在前期研究中，陈仙辉、王震宇团队一直在寻找稳定且纯净的边界态材料体系。2024年，他们利用扫描隧道显微镜，在层状晶体碘化铋中发现了稳定的螺旋边界态通道，为利用同族材料的边界态打下了物理基础。在此次研究中，团队希望进一步改变边界态的角色，不仅是用显微镜去寻找它，更要让它成为显微镜的一部分。“扫描隧道显微镜的工作方式是将极细的针尖靠近样品表面，让电子通过‘量子隧穿’跨越两者之间微小的真空间隙。通过记录隧穿电流，从而辨认原子位置和电子态的分布。”王震宇说，传统扫描隧道显微镜使用的是非磁性金属针尖，通常无法区分电子自旋。20世纪90年代，德国科学家利用磁性针尖发展出了自旋极化扫描隧道显微镜技术。其针尖的磁性状态需要标定，并可能受到外磁场及针尖与样品相互作用的影响。研究团队提出一个大胆的猜想：能否用非磁性的螺旋边界态，提供另一种自旋选择机制？“因为这类边界态里‘方向决定自旋’，所以只要控制样品与针尖之间的电压极性，就可以改变电子的运动方向，对应的自旋特征也会反转。这样可以既不依赖外加磁场也不使用磁性针尖，仅通过切换电压极性来辨别与自旋有关的电子状态。”王震宇解释道。为此，团队利用聚焦离子束微纳加工技术，把溴化铋单晶制备成具有原子分辨能力的针尖。“制备难点不只是把晶体磨尖，要求针尖末端既要足够尖锐能够分辨出原子，尖锐程度相当于头发丝（0.1毫米）的万分之一，又要在这种情况下保留拓扑边界态的电子结构。”王震宇说。“看清”交错磁性“真面目”团队随后将目光锁定在钾钒硒氧的层状材料上。该材料具有特殊的磁性——交错磁序。近年来，交错磁序让人们看到了磁性材料的特殊面貌：原子的磁矩像一根根微小的磁针，方向相反、整体相互抵消，但材料内部两种相反自旋的电子仍可以具有不同的能量，而且谁的能量更高，会随电子运动方向交替变化。然而，识别交错磁序并非易事。“不仅要看清原子上的小磁针怎样排列、方向相反的两组如何被联系起来，也要看两种自旋的电子是否存在能量差异，以及这种差异是否随运动方向交替变化。”王震宇说。团队首先利用边界态针尖，为钾钒硒氧单晶表面拍摄了能分辨单个原子的“照片”，区分出两类钒位点，并看清了它们周围的原子排列。他们进一步比较不同电压下的图像，提取出与自旋有关的明暗对比，发现它与磁矩呈棋盘状反向排列的图景相符，这为研究提供了一张原子尺度的“地图”。随后，研究人员把目光转向电子在不同运动方向上的差异。“电子遇到缺陷时会发生散射，形成类似水波遇到障碍物后的干涉波纹。用扫描隧道显微镜记录这些波纹后，我们就能从中提取电子运动方向和能量的信息。”王震宇补充道。研究发现，两组垂直方向上的干涉波纹信号的强弱出现了巨大差异。当样品电压由正变负、电子在针尖与样品之间的流动方向反转时，主导信号的方向也随之旋转了90°。这种“电压反转、强弱互换”的现象，与X、Y两个垂直方向的电子具有相反自旋特征的预期相符，提供了来自电子运动层面的证据。研究团队还设计了一系列对比实验。结果表明，仅靠晶格应力、针尖形状的不对称，或对不同电子轨道的探测偏好，难以解释上述现象。这些测量与理论分析相互印证，共同为钾钒硒氧表面的交错磁序提供了有力的证据。有望成为“原子级放大镜”在王震宇看来，这项工作最难的是提出将螺旋边界态做成针尖。“当时，大家觉得这个想法太天马行空。”事实上，2025年12月王震宇第一次向《自然》投稿，审稿人也对螺旋边界态测量自旋信息提出了诸多疑问。为此，研究团队先后测量了5类不同的样品，设计了4种对照实验，才打消这些质疑。陈仙辉表示，这项工作的意义同时体现在“测到什么”和“用什么测”两个方面。一方面，交错磁序的判断不再只依赖某一种信号，而是有了实空间原子尺度和动量空间的交叉检验；另一方面，曾经需要被寻找、被表征的拓扑边界态，在这里成为读取其他量子材料自旋信息的工具。此次制备出的边界态针尖未来有望成为观察电子自旋的“原子级放大镜”。例如，在非常规超导和高温超导材料中，可帮助研究人员追踪电子自旋在不同位置的变化，为理解磁性如何影响电子配对、超导为何形成提供新线索；在二维磁体和莫尔器件中，可以确定体系内是否形成了磁有序电子态，看清磁结构的分布形式，以及缺陷和外加磁场如何改变局部电子状态。接下来，研究团队将与理论学家合作，进一步完善螺旋边界态量子隧穿过程的微观模型和理论，以此实现更强的自旋分辨能力。“随着探针制备和测量方法的完善，这项技术有望把原子排列、电子自旋与材料的宏观性质联系起来，为探索非常规超导机理和设计自旋器件提供更多的实验依据。”王震宇说。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11257-1（原载于《中国科学报》 2026-10-29 第1版 要闻）