CHINESE JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY

LIU Ming

Academician of Chinese Academy of Sciences,

Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences

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Single-Atom Spin Resonance in a Scanning Tunneling Microscope

编委的话

极低温强磁场扫描隧道显微镜是在原子尺度探测量子材料的有力工具，尤其是近几年发展起来的电子自旋共振扫描隧道显微镜，充分结合了扫描隧道显微镜的超高空间分辨率和电子自旋共振的超高能量分辨率，可以实现对材料的原子结构、局域电子态密度，以及自旋态的高精度测量，是扫描隧道显微学领域最前沿的技术之一。鉴于此我们特邀中国科学院物理研究所杨锴研究员等为本刊撰写英文综述性文章，总结近五年来电子自旋共振扫描隧道显微镜技术的发展和应用，以及利用该技术探测和操控低维自旋系统的研究进展。该综述文章涵盖了利用电子自旋共振扫描隧道显微镜进行原子尺度自旋系统研究的各个具有里程碑意义的成果，并对该研究方向的未来发展进行了展望。文章作为封面文章发表在《真空科学与技术学报》第41卷，第10期，897-912。

本刊副主编中国科学院大学张余洋副教授

文章简介

以自旋为核心的单原子或单分子器件是未来信息学和量子科学的重要基础单元之一。近年来，应用电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）技术已经可以测量单个原子的电子自旋共振谱线，为实现原子尺度量子自旋态的精细探测与操控迈出了重要一步。ESR-STM具有原子分辨能力和几十个纳电子伏的超高能量分辨率，可以实现微弱磁性信号的原子尺度精密探测。近日，中国科学院物理研究所杨锴研究员、IBM Almaden研究中心Christopher Lutz研究员和韩国基础科学研究院量子纳米科学中心Andreas Heinrich教授在《真空科学与技术学报》上发表综述文章，概述了应用ESR-STM研究原子尺度量子磁性的最新进展。

电子自旋共振技术是最常用的研究电子自旋的实验技术之一。但是，传统的电子自旋共振测量需要数量巨大的电子自旋（~10⁷以上）才能得到较高的信噪比。这就意味着其空间分辨率较低，无法直接应用到单个自旋的量子态调控的研究中。将电子自旋共振技术与扫描探针技术相结合，可以克服其空间分辨率低的缺点，实现原子尺度自旋态的探测与操控。

2015年美国IBM Almaden研究中心将电子自旋共振测量与扫描隧道显微镜相结合，实现了固体表面单个磁性原子自旋共振谱线的测量，从而将扫描隧道显微镜的能量分辨率提高到几十个纳电子伏的水平。这一能量分辨率比传统的扫描隧道显微镜谱学表征手段提高了约1000倍，可以在原子尺度对微弱的磁性信号进行测量。例如，利用ESR-STM可以测量固体表面相距几纳米的两个原子之间的微弱磁偶极相互作用、电子自旋与核自旋之间的超精细相互作用，以及人工自旋阵列的量子涨落等。

除了极高的能量分辨率，ESR-STM的另一个重要优势是可以得到自旋态波函数的相位信息。例如，借助脉冲式电子自旋共振技术，可以实现固体表面单个磁性原子以及耦合原子系统的量子相干操控，并可以测量其拉比振荡、拉姆齐干涉条纹和自旋回波信号等。单原子尺度脉冲式电子自旋共振的实现为应用单原子量子探针进行量子探测奠定了重要基础。另外，对具有原子级精度的人工自旋结构的量子相干操控为多体系统的量子模拟提供了重要的固态实验平台。

利用ESR-STM在原子尺度探测和操控量子磁性可以使人们深入理解相互作用自旋系统蕴含的新奇量子多体现象，而且有助于基于单原子自旋的量子探测等相关技术的发展。作者希望在不久的将来，ESR-STM可以应用到探测低维量子材料等重要的凝聚态系统，为探测和理解量子磁性和强关联物理提供重要思路。

更多内容请见《真空科学与技术学报》第41卷，第10期，897-912页。

DOI:10. 13922 / j. cnki. cjvst.202107007

引用格式：

K.Yang, A.Heinrich, C.Lutz，Single-Atom Spin Resonance in a Scanning Tunneling Microscope, Chin. J. Vac. Sci. Tech, 41, 10,897-912(2021)

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杨锴课题组简介

中科院物理所固态量子实验室杨锴课题组的主要研究领域是利用先进的扫描隧道显微术在单原子尺度上对量子材料进行结构表征与物性调控，并进行基于单原子/单分子的量子探测和量子模拟等方面的研究工作，涉及到的领域包括纳米物理、固态量子信息和分子自旋电子学。在实验手段方面，结合了两种十分重要的成像和探测技术：扫描隧道显微镜技术(Scanning Tunneling Microscopy, STM)和电子自旋共振技术(Electron Spin Resonance, ESR)，用原子级的精度和纳电子伏特的能量分辨率来探测并调控量子材料的磁性和自旋性质，可以为理解和揭示量子材料的强关联物理提供重要思路。

通讯作者简介

杨锴，中科院物理所特聘研究员，博士生导师。2009年毕业于山东大学物理学基地班，2015年在中科院物理所获博士学位。博士毕业后，在美国IBM Almaden研究中心从事博士后研究。2021年加入中科院物理所固态量子实验室。主要以扫描隧道显微镜为研究手段在单原子尺度对低维量子结构进行表征与物性调控。近年来致力于扫描隧道显微镜和电子自旋共振技术两种重要成像和探测技术的关联、发展和应用，开展了量子磁性、量子探测和量子计算等方面的研究，例如首次实现了固体表面单个磁性原子自旋态的量子相干控制、单个原子的核磁共振谱线测量，以及人工量子磁体的探测和操控等。相关成果发表在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Physics、PRL 等重要学术期刊上。

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