石墨烯摻雜載流子誘導(dǎo)RKKY的物理機制 實現(xiàn)對原子間自旋交換作用及其調(diào)制

納米尺度的磁性小團簇（由數(shù)個原子組成）是構(gòu)建納米磁性器件和自旋電子器件的基本單元，也是研究磁性原子間自旋交換相互作用的理想體系。如何在原子尺度上直接測量和研究兩個磁性原子間的自旋耦合強度，實現(xiàn)對其自旋交換作用的調(diào)控是十分重要的基礎(chǔ)問題，在實驗上面臨的困難和挑戰(zhàn)主要是如何構(gòu)建具有相互作用的由兩個或有限數(shù)量磁性原子構(gòu)成的團簇。制備磁性原子團簇的方法通常只能在幾種有限的基底表面（通常為金屬或者絕緣襯底）利用外延技術(shù)或刻蝕手段實現(xiàn)，但是其結(jié)構(gòu)難以在原子尺度實現(xiàn)精確控制。磁性原子團簇在弱相互作用基底上的可控生長一直是研究磁性原子間自旋交換作用的重要前沿課題。

石墨烯是一類重要的自旋電子材料，在未來自旋電子器件中具有潛在的應(yīng)用價值。近年來, 中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）高鴻鈞研究組在高質(zhì)量石墨烯的可控生長及物性研究方面取得了一系列突破性進展。他們提出了基于單晶表面外延的高質(zhì)量、大面積的石墨烯生長技術(shù)，在國際上率先實現(xiàn)了在Ru(0001)表面獲得缺陷可控、1個厘米大小的、連續(xù)的單晶石墨烯[Chin. Phys. 16, 3151(2007); Adv. Mater. 21, 2777 (2009)]，并對其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)調(diào)制進行了系列研究[J. Am. Chem. Soc. 131, 14136(2009); Phys. Rev. Lett. 105, 219701 (2010); J. Phys.: Condens. Matter 22, 302001 (2010) (Cover Story),Appl. Phys. Lett. 100, 093101 (2012)(Cover story); 100, 083101 (2012) ; 102, 093106 (2013)]。Ru(0001)表面上外延生長的石墨烯不僅具有大面積、高質(zhì)量的特性，還擁有天然的周期性摩爾（Moiré）超晶格結(jié)構(gòu)，利用金屬基底對石墨烯的電子摻雜，高鴻鈞研究組在實驗上首次觀測到了單個磁性鈷原子的近藤效應(yīng)，并利用摩爾超晶格實現(xiàn)了對近藤效應(yīng)的可控調(diào)制[Nano Letters, 14, 4011 (2014)]。 近期，他們利用這一石墨烯摩爾超晶格結(jié)構(gòu)為模板，開展了磁性原子間的自旋耦合相互作用的研究。該研究組的博士生任金東、武旭和郭海明研究員等利用極低溫矢量磁場掃描隧道顯微鏡/掃描隧道譜（STM/STS）技術(shù)，以Ru(0001)單晶上的單層石墨烯為基底，采用原位低溫沉積技術(shù)，實現(xiàn)了錳原子團簇（二聚體和三聚體）的可控制備和選擇性吸附，在實驗上首次探測到不同錳原子團簇內(nèi)部的原子間自旋交換作用并實現(xiàn)了可控調(diào)制。兩個錳原子形成的二聚體團簇的掃描隧道譜展現(xiàn)出一個從單重態(tài)基態(tài)到三重態(tài)基態(tài)的激發(fā)臺階，施加磁場后激發(fā)臺階發(fā)生三級劈裂，兩個原子之間為反鐵磁耦合，耦合強度受其在石墨烯基底的吸附位置和原子間距離調(diào)制。對于更為復(fù)雜的錳三聚體團簇結(jié)構(gòu)，STS譜線上觀察到多級自旋激發(fā)，并呈現(xiàn)不同的磁場響應(yīng)特性，結(jié)合海森堡自旋模型，證明團簇內(nèi)原子非共線排列，同時獲得原子間自旋耦合類型以及強度等信息。當(dāng)形成具有三角形結(jié)構(gòu)的錳三聚體時，其中兩個錳原子形成類似上述二聚體的反鐵磁耦合，第三個錳原子和另兩個錳原子均形成鐵磁耦合。該研究組的博士生潘金波、張艷芳和杜世萱研究員，物理所楊義峰研究員與美國馬里蘭大學(xué)歐陽敏教授等合作進行了第一性原理及海森堡自旋模型理論計算，結(jié)果表明，石墨烯/Ru的摩爾周期不同區(qū)域的電子結(jié)構(gòu)差異是影響和調(diào)制錳磁性原子間反鐵磁耦合強度的主要原因。進一步分析發(fā)現(xiàn)，錳原子之間除了直接的自旋交換作用外，還存在著非局域的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)間接交換作用，與石墨烯基底的摻雜載流子濃度有關(guān)。

該項工作首次在實驗上直接在原子尺度實現(xiàn)了對磁性原子間自旋相互作用的調(diào)制，驗證了石墨烯摻雜載流子誘導(dǎo) RKKY 的物理機制，提供了一條在原子尺度上調(diào)控磁性原子間自旋耦合，以及不同自旋類型團簇可控自組裝的潛在途徑。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 Phys. Rev. Lett. 119, 176806 (2017)上。

此項工作得到了科技部973（No. 2013CBA01600, 2013CB932901, 2016YFA0202300）、國家自然科學(xué)基金委（No. 11574363, 61274011, 61390501, 51325204）和中國科學(xué)院等計劃的支持。

圖一：a) 石墨烯/Ru(0001)摩爾周期結(jié)構(gòu)上吸附的錳原子團簇示意圖；b) 石墨烯摩爾周期不同位置上吸附錳原子二聚體的數(shù)目比例統(tǒng)計；c) 不同吸附位置錳二聚體的STM圖和對應(yīng)的STS譜線。

圖二：a) 錳二聚體內(nèi)反鐵磁耦合示意圖；b) 錳二聚體的自旋激發(fā)譜，顯示零場（0 T）下的自旋激發(fā)臺階在磁場（5, 6, 7 和8 T）下發(fā)生三重劈裂。c) 劈裂能（由圖b中擬合）隨著磁場強度的增大而增加。d) 磁場下錳二聚體從單態(tài)到三重態(tài)躍遷的示意圖。

圖三：DFT計算得到的石墨烯/Ru上吸附錳三聚體的四種穩(wěn)定優(yōu)化構(gòu)型。根據(jù)其原子間自旋耦合類型的不同，可分為AFM-AFM-FM (a and b) 和AFM-FM-FM (c and d)兩大類。

圖四：a) 錳三聚體實驗得到的自旋激發(fā)譜線（上）和理論模擬譜線（下）(AFM-FM-FM模型，其中J12= 8.9 meV,J13=J23= -1.3 meV, D= -0.08 meV )的對比。b) 由圖a實驗譜線得到的激發(fā)臺階偏移能量隨磁場強度的變化關(guān)系。c) 錳三聚體（AFM-FM-FM模型）能級及其簡并度的示意圖。d) 磁場下錳三聚體從基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷的示意圖。