Science发表北大量子材料科学中心江颖教授的最新研究成果

 近日，北京大学量子材料科学中心的江颖教授与美国加州大学欧文分校的Wilson Ho教授等合作，采用模板衬底和自组装技术，合成了一种奇异的低维量子材料：二维近藤晶格。他们进一步利用高分辨扫描隧道显微镜/谱（STM/STS）在原子尺度上对其进行了实空间成像，并结合第一性原理计算，揭示了近藤效应和周期性晶格间的内在关联。同时，该工作也为低维强关联电子体系的量子调控提供了新的思路。相关研究工作以 Report的形式发表在7月15日出版的Science上，江颖教授为该论文的第一作者。

近藤晶格是凝聚态物理教科书上一类很典型的强关联电子体系，它通常由金属母体中周期性密集排列的磁性原子构成。这些磁性原子的局域磁距与金属中传导电子之间存在着近藤相互作用（交换作用），使得围绕磁性原子的传导电子的自旋反平行极化，从而屏蔽磁性原子的磁矩。近藤晶格体系具有很多奇特的量子物性，包括：各向异性的超导电性、近藤绝缘性、量子临界点、非费米液体行为等等。虽然科学家们已经对近藤晶格体系的奇异物性研究了三十多年，但至今仍没有形成一个统一的物理图像。近藤晶格体系的复杂性源于近藤效应、长程相干性和磁有序之间的竞争和关联。周期晶格的长程相干性如何影响近藤屏蔽效应一直以来是近藤晶格研究领域的核心问题。尤其是当体系维度降低时，量子限域效应使得电子-电子之间的关联大大增强，近藤效应与周期性晶格之间的内在关联将会更加显著。

北京大学量子材料科学中心江颖教授与美国加州大学欧文分校的Wilson Ho教授合作，巧妙的把顺磁性的氧分子（自旋为1）沉积到处于低温（10K）的金衬底上（Au(110)-1´2），通过氧分子的自组装生长出了二维长程有序的自旋晶格（图1A-C）。在此基础上，研究人员利用扫描隧道显微镜/谱（STM/STS），原位的对这种二维自旋晶格的结构和电子态进行了表征，发现晶格中存在着很强的近藤共振态（图1D）。通过对近藤共振态的空间分布进行原子级分辨成像，研究人员发现周期晶格的长程相干性使得氧分子晶格中同时存在着两种近藤屏蔽效应：空间离域的近藤屏蔽和分子间局域增强的近藤屏蔽（图2）。其中前者表明相干近藤态的形成，而后者则源于最近邻氧分子的近藤云之间的杂化效应。为了理解氧分子近藤晶格的基态电子结构和磁学性质，江颖教授还与美国加州大学欧文分校的Ruqian Wu教授合作进行了第一性原理计算（SP-DFT），为实验结果的解说提供了必要的支持。

该研究工作是国际上首次利用磁性分子来合成低维近藤晶格，并在实空间中揭示了近藤效应和周期性晶格之间的内在联系，其结果将有助于理解近藤晶格的各种奇异量子行为。Science的两位审稿人对该研究工作一致给予了高度评价，认为该工作无论是科学发现还是实验技术方面都非常出色，并指出该工作为近藤晶格体系的核心问题提供了可能的解答。

该工作得到了北京大学985工程和国家自然科学基金的资助。

附：

文章链接：http://www.sciencemag.org/content/333/6040/324

江颖教授的个人主页：http://icqm.pku.edu.cn/LabJiangYing/home.html

图片1和图片2：

图1.（A）和（B）二维氧分子晶格的高分辨STM图像（偏压：0.5V），其中（B）为（A）的放大图；（C）第一性原理计算得到的氧分子在表面的吸附构型；（D）氧分子晶格的dI/dV和 d2I/dV2谱线，近藤共振态的存在导致费米能级附近的微分电导被抑制。

图2.（A）和（C）氧分子晶格的高分辨STM图像（偏压：0.1V），其中（C）为（A）的放大图；（B）和（D）在获取STM图像（A）和（C）的同时得到的近藤共振态的空间分布图像；（E）在三种不同的氧分子晶格上得到的dI/dV谱线；（F）氧分子晶格的相干温度、近藤态强度与晶格常数的函数关系。