近日，粤港澳大湾区（广东）量子科学中心、南方科技大学物理系殷嘉鑫教授课题组在笼目（kagome）结构的自旋冰材料HoAgGe的局域激发取得了突破性进展。

笼目晶格材料是量子自旋液体、自旋冰和平带材料的热门材料体系。近年来，利用电子结构方法探索具备笼目结构的量子材料中的新兴物理取得了显著进展，尤其是几何、拓扑、关联和自旋之间的相互作用。然而，笼目晶格中的量子自旋液体和自旋冰的电子结构的实验方面研究还十分匮乏。在自旋冰材料中，局域磁自旋遵循类似于冰中电偶极子的“冰规则”。自旋冰通常存在于具有三维烧绿石晶格的量子材料中，最近在笼目金属HoAgGe中被发现。在笼目自旋冰中，冰规则要求每个三角形的自旋构型为二进一出或二出一进。在降低温度后，人们认为自旋首先形成短程冰序，然后形成长程冰序。有趣的是，当通过翻转某个自旋来局域打破冰规则时，可以出现三进三出的自旋构型，类似于狄拉克预测的磁单极子。以可控和局域的方式产生自旋激发可以为自旋冰的研究开辟新的途径。

殷嘉鑫课题组通过研究笼目结构的自旋冰材料HoAgGe中的扫描隧道谱，在非弹性隧穿条件下，使用扫描隧道显微镜（STM）的尖端翻转局域自旋，发现在对称偏压下微分电导谱中有一对显著的凹陷，下降程度受磁场调制，且在自旋冰形成温度以上消失。该发现对研究阻错体系的自旋冰激发至关重要。相关研究成果以“Kagome自旋冰磁性局部激发的扫描隧道谱研究”（Local Excitation of Kagome Spin Ice Magnetism Seen by Scanning Tunneling Microscopy）”为题发表在国际顶级期刊《物理学评论快报》（Physical Review Letters）上。

图1. （a）笼目结构的自旋冰自旋结构示意图；（b）HoAgGe的晶体结构；（c）HoAgGe的阻错磁结构。（d）HoAgGe大尺寸单晶照片

HoAgGe是一种具备笼目结构的自旋冰材料，并在20 K和11.6 K的温度下形成短程和长程自旋冰序。粤港澳大湾区（广东）量子科学中心的赵凌霄副研究员生长了大尺寸高质量的单晶。图1所示为HoAgGe的晶体结构、磁结构与单晶照片。

图2.（a）扫描探针诱导的局部自旋翻转示意图；（b）HoAgGe的微分电导谱；（c）HoAgGe的微分电导谱随温度的变化；（d）磁场下HoAgGe的微分电导谱。

通过对其扫描隧道谱研究发现，其在107 mV偏压下出现了正负对称的微分电导率的急速凹陷（如图2所示）。随着温度的升高，该凹陷出现的偏压位置保持不变，且凹陷深度随着温度的升高快速减弱，并在20 K（自旋冰形成温度）以上消失。外加磁场也不改变凹陷出现的偏压位置，仅对凹陷深度有影响。

考虑到Ho原子中的4f电子具备强自旋-轨道耦合作用，作者提出了双能级自旋翻转模型来解释隧道谱中的凹陷。自旋翻转过程中同时存在自旋和轨道带来的势垒。通过理论计算和实验分析，发现HoAgGe中自旋和轨道效应产生的势垒分别约为102 meV和2 meV。

图3. （a）自旋翻转二能级模型示意图；（b）二能级自旋翻转模型下的一对对称的微分电导率凹陷；（c）HoAgGe扭曲笼目晶格中自旋结构与相互作用；（d）轨道势垒示意图。

该工作将扫描隧道谱这一先进电子结构探测方法拓展到了kagome自旋冰体系中，并发现了局域自旋翻转的实验特征——微分电导谱显著的凹陷。为自旋冰的研究提供了先进的实验工具。

该工作的开展和完成得到国家自然科学基金、深圳基础研究计划、深圳市优秀人才培养基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省高校创新团队、深圳市科技计划项目、广东省量子科学战略计划等的大力支持。