近日，北京大學量子材料科學中心的江穎教授與美國加州大學歐文分校的Wilson Ho教授等合作，採用模板襯底和自組裝技術，合成了一種奇異的低維量子材料：二維近藤晶格。他們進一步利用高分辨掃描隧道顯微鏡/譜（STM/STS）在原子尺度上對其進行了實空間成像，並結合第一性原理計算，揭示了近藤效應和周期性晶格間的內在關聯。同時，該工作也為低維強關聯電子體系的量子調控提供了新的思路。相關研究工作以 Report的形式發表在7月15日出版的Science上，江穎教授為該論文的第一作者。
近藤晶格是凝聚態物理教科書上一類很典型的強關聯電子體系，它通常由金屬母體中周期性密集排列的磁性原子構成。這些磁性原子的局域磁距與金屬中傳導電子之間存在著近藤相互作用（交換作用），使得圍繞磁性原子的傳導電子的自旋反平行極化，從而屏蔽磁性原子的磁矩。近藤晶格體系具有很多奇特的量子物性，包括：各向異性的超導電性、近藤絕緣性、量子臨界點、非費米液體行為等等。雖然科學家們已經對近藤晶格體系的奇異物性研究了三十多年，但至今仍沒有形成一個統一的物理圖像。近藤晶格體系的複雜性源於近藤效應、長程相干性和磁有序之間的競爭和關聯。周期晶格的長程相干性如何影響近藤屏蔽效應一直以來是近藤晶格研究領域的核心問題。尤其是當體系維度降低時，量子限域效應使得電子-電子之間的關聯大大增強，近藤效應與周期性晶格之間的內在關聯將會更加顯著。
北京大學量子材料科學中心江穎教授與美國加州大學歐文分校的Wilson Ho教授合作，巧妙地把順磁性的氧分子（自旋為1）沉積到處於低溫（10K）的金襯底上（Au(110)-12），通過氧分子的自組裝生長出了二維長程有序的自旋晶格（圖1A-C）。在此基礎上，研究人員利用掃描隧道顯微鏡/譜（STM/STS），原位的對這種二維自旋晶格的結構和電子態進行了表徵，發現晶格中存在著很強的近藤共振態（圖1D）。通過對近藤共振態的空間分布進行原子級分辨成像，研究人員發現周期晶格的長程相干性使得氧分子晶格中同時存在著兩種近藤屏蔽效應：空間離域的近藤屏蔽和分子間局域增強的近藤屏蔽（圖2）。其中前者表明相干近藤態的形成，而後者則源於最近鄰氧分子的近藤雲之間的雜化效應。為了理解氧分子近藤晶格的基態電子結構和磁學性質，江穎教授還與美國加州大學歐文分校的Ruqian Wu教授合作進行了第一性原理計算（SP-DFT），為實驗結果的解說提供了必要的支持。
該研究工作是國際上首次利用磁性分子來合成低維近藤晶格，並在實空間中揭示了近藤效應和周期性晶格之間的內在聯繫，其結果將有助於理解近藤晶格的各種奇異量子行為。Science的兩位審稿人對該研究工作一致給予了高度評價，認為該工作無論是科學發現還是實驗技術方面都非常出色，並指出該工作為近藤晶格體系的核心問題提供了可能的解答。
該工作得到了北京大學985工程和國家自然科學基金的資助。
附：
文章連結：http://www.sciencemag.org/content/333/6040/324
江穎教授的個人主頁：http://icqm.pku.edu.cn/LabJiangYing/home.html
圖片1和圖片2：
圖1.（A）和（B）二維氧分子晶格的高分辨STM圖像（偏壓：0.5V），其中（B）為（A）的放大圖；（C）第一性原理計算得到的氧分子在表面的吸附構型；（D）氧分子晶格的dI/dV和 d2I/dV2譜線，近藤共振態的存在導致費米能級附近的微分電導被抑制。
圖2.（A）和（C）氧分子晶格的高分辨STM圖像（偏壓：0.1V），其中（C）為（A）的放大圖；（B）和（D）在獲取STM圖像（A）和（C）的同時得到的近藤共振態的空間分布圖像；（E）在三種不同的氧分子晶格上得到的dI/dV譜線；（F）氧分子晶格的相干溫度、近藤態強度與晶格常數的函數關係。
編輯：李娜