自旋 - 1/2 海森堡链自旋激发研究取得重要突破：为量子自旋体系带来新认知

研究人员构建长度可控的自旋 - 1/2 海森堡链，探究自旋激发特性，为量子自旋体系研究提供新视角。

　　在神秘的量子世界里，一维（1D）量子磁体就像一座充满未知的宝藏岛屿，吸引着无数科学家去探索。其中，自旋 - 1/2 海森堡链（spin-1/2 Heisenberg chain）作为量子磁学领域的 “明星模型”，由哈密顿量H^=J∑i?S^i??S^i+1?描述（J>0表示反铁磁（AF）近邻交换耦合），它的基态和激发态蕴含着许多令人着迷的量子现象。

从理论上讲，反铁磁海森堡链存在两种不同类型的激发光谱：整数自旋链是有能隙的，而半整数自旋链是无能隙的。然而在有限长度的半整数自旋链中，量子化会诱导出能隙，这就需要对足够长的链进行精确控制，才能深入研究其能隙的演变规律。但到目前为止，实现各向同性自旋 - 1/2 海森堡模型的实验困难重重。在一些准一维晶体中，链间耦合会导致体系转变为二聚体或磁有序相，而且难以获得定义明确的有限链，这使得系统研究自旋激发随链长的演化，以及偶数链和奇数链的不同行为变得异常艰难。虽然纳米技术的发展催生了人工自旋链，可在这些平台上制备具有超过偶极耦合的各向同性交换相互作用的长链仍是一个巨大挑战。

面对这些困境，来自瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）、德累斯顿工业大学、马克斯?普朗克微观结构物理研究所等机构的研究人员没有退缩。他们另辟蹊径，决定利用纳米石墨烯的独特性质来攻克难题，开展了一项关于 “自旋 - 1/2 海森堡链自旋激发” 的研究。最终，他们成功制备并表征了长度可控的纳米石墨烯链，实现了无隙反铁磁自旋 - 1/2 海森堡量子自旋模型，相关研究成果发表在《Nature Materials》上，这一成果为量子自旋体系的研究带来了全新的视角和突破。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是表面合成技术，通过在 Au (111) 表面共价连接经过特殊设计的开壳纳米石墨烯 —— 奥林匹克烯（Olympicenes），构建出各向同性的自旋 - 1/2 海森堡链；二是运用扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）来表征和操控奥林匹克烯链上的自旋自由度；三是利用非弹性电子隧穿光谱（inelastic electron tunnelling spectroscopy）探测自旋激发；四是采用精确对角化（ED）和密度矩阵重整化群（DMRG）等计算方法，从理论层面分析自旋激发的特性。

研究人员首先对单个奥林匹克烯分子进行了结构表征，通过 STM 和 nc-AFM 技术，清晰地观察到了其结构特征，并且 dI/dV 光谱显示出尖锐的 Kondo 峰，证实了其自旋 - 1/2 单元的特性。随后，他们成功制备出了不同有效长度的自旋链，从L=1到L=10。通过对这些短链自旋激发的研究发现，偶数链存在激发能隙，且能隙大小随链长增加而减小；奇数链在零偏压处有一个峰，其强度随链长增加而减弱。这一现象与偶数链基态为S=0的单重态、奇数链基态为S=1/2的双重态的理论相符。

接着，研究人员深入探究了低激发自旋态随链长的变化关系。他们监测了六条不同链中最低激发能（ΔLEE?）随链长L的演变，发现ΔLEE?以幂律方式随L衰减，在大L区域与1/L呈线性关系，且低于 Lieb–Schultz–Mattis（LSM）界限，这与有能隙自旋链的指数衰减形成鲜明对比。虽然实验数据的衰减速度比理论预测稍快，但整体趋势与理论相符，这表明激发能存在与链长相关的重整化现象。

对于长链，当ΔLEE?衰减到与实验能量分辨率（约 2 meV）相当时，激发光谱呈现出与热力学极限一致的行为。研究人员以有效长度L=50的链为例进行研究，发现随着链长增加，可分辨的激发步骤增多，最终整个光谱转变为近乎 V 形的连续谱，这意味着在热力学极限下自旋激发能隙消失。

最后，研究人员聚焦于奇数链。由于奇数链基态具有S=1/2，理论上认为这是单个自旋子（spinon）的体现。他们通过理论计算和低偏压电流映射实验，证实了奇数链基态可被解释为单个自旋子的驻波，且这种驻波会导致 Kondo 峰幅度沿链调制。实验结果与理论模拟高度吻合，为研究自旋子的性质和相互作用提供了重要依据。

这项研究成功制备并精确表征了长度可控的纳米石墨烯链，实现了无隙反铁磁自旋 - 1/2 海森堡量子自旋模型。研究结果揭示了最低能量自旋激发与1/L呈线性衰减，以及长链中 V 形激发连续谱的存在，证明了在热力学极限下自旋激发能隙消失，这与准长程自旋 - 自旋相关性以幂律速率衰减的理论一致。更为重要的是，构建奇数自旋链的能力使得研究人员能够成像单个自旋子驻波，为研究自旋子这一难以直观理解的准粒子特性和相互作用，提供了关键的起点。这一成果不仅推动了量子自旋体系的基础研究，还为未来基于绝缘体的反铁磁自旋电子学（AF spintronics）应用开辟了新的道路，在量子计算、量子信息处理等领域具有潜在的应用价值，有望为这些前沿技术的发展注入新的活力。