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2026年10月13日，中国科学技术大学陈仙辉教授、王震宇教授、向斌教授、香港科技大学刘军伟教授为共同通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature》发表题为“Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling”。中国科大博士生王竹莹、喻水康、肖晓宇和香港科技大学博士生程星恺为共同第一作者。中国科学技术大学为第一完成单位。

在原子尺度辨识自旋相关电子态，是研究量子材料中演生现象的重要手段。传统自旋分辨探针通常依赖于针尖末端的磁性原子修饰，其自旋态可能受到针尖与样品相互作用的影响，且往往需要外磁场的辅助。量子自旋霍尔体系的一维边界态具有螺旋特征：沿同一边界反向传播的电子携带相反的自旋。如果此类拓扑边界态主导量子隧穿过程，控制样品偏压的极性，进而改变隧穿电子的运动方向，原理上有可能获得不同的自旋选择性。此前，陈仙辉、王震宇团队在α-Bi4I4晶体的单层和双层台阶处均观测到稳定且纯净的一维螺旋边界通道，其层间杂化耦合极弱（Phys. Rev. X 14, 041048 (2024)），为利用同族拓扑材料构筑边界态针尖提供了实验思路。

图：基于一维螺旋边界态的原子尺度自旋探测

研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将α-Bi4Br4单晶制备成具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜针尖，该探针仍呈现与螺旋边界态相符的谱学特征。为验证其自旋选择性，团队分别对Fe1+xTe中的双共线反铁磁条纹和笼目磁体FeGe中的层间反铁磁序开展测量，前者的条纹对比随样品偏压极性反转，后者的层间对比则随磁场诱导的自旋重取向而显著变化。这些结果表明，边界态的自旋–动量锁定可以转化为随隧穿方向变化的自旋选择性，为原子尺度自旋探测提供了新的途径。

图：陈仙辉（右一）、王震宇（左一）等讨论研究进展

随后，团队将这一方法用于交错磁体候选材料KV2Se2O的研究。交错磁体的净磁化为零，但交换作用可以在不依赖自旋-轨道耦合的情况下产生强的能带自旋劈裂，且自旋极化随动量方向交替变化。这一特征与晶体对称性以及反向自旋子晶格密切相关。因此，如何同时辨识局域晶格结构与相关电子态的自旋特征，是验证交错磁序的关键。

在KV2Se2O表面，原子成像识别出具有√2×√2周期的密度波调制以及两类由镜面对称联系的钒位点。对相反偏压极性的图像进行重构后，获得的实空间图案与棋盘状反铁磁序相一致。矢量磁场下的隧道谱测量发现，沿两个正交晶轴延展的准粒子激发呈现相反的能量移动，支持它们具有相反的自旋极化，并显示出以面外方向为主的磁响应。在具有动量空间分辨能力的准粒子干涉图样中，与X、Y能谷相关的两组正交散射特征具有不同强度，且其主导方向随偏压极性反转而旋转90°。非磁针尖及多类材料的对照实验进一步表明，实验所观察到的偏压反转行为难以被结构各向异性、局域应变或隧穿轨道选择性所解释，从而为d波对称性的自旋劈裂提供了坚实的实验证据。

图：KV2Se2O表面二维d波交错磁性的实空间与动量空间实验证据

综合原子晶格结构、与反铁磁序一致的实空间图样、准粒子激发态的磁场响应和随偏压反转的动量空间散射各向异性，研究团队获得了相互印证的实验结果。结合理论分析和对比实验，所有结果支持了 KV2Se2O表面层的二维d波交错磁序。此外，该工作展示了拓扑量子材料作为物态测量探针的潜力：拓扑边界态不仅可以被观测，还可以用于探测其他材料的自旋相关电子态。这一方法有望应用于二维磁体和莫尔材料，为研究其原子尺度自旋特征提供新的方法和技术。