背景介绍

本文提出并实证了一种兼具纳秒级时间分辨和原子级空间分辨的全电子泵浦-探测扫描隧道显微镜（STM）技术，用于直接测量单原子或单分子自旋弛豫时间（T₁）。研究对象为吸附在Cu(100)/Cu₂N衬底上的Fe-Cu二聚体。通过在0.6K超低温和最高7T外磁场下向STM隧道结施加一对纳秒级电压脉冲——高幅值泵浦脉冲触发自旋激发，低幅值探测脉冲在可调延迟Δt后读取自旋取向——作者实时跟踪了单原子自旋由激发态回到基态的动力学轨迹。实验测得不同二聚体的T₁值在50–250ns之间，并呈现出随外磁场强度先增后减的非单调依赖。对比实验排除了热噪声、电荷俘获和仪器带宽所造成的伪影，证明该技术能够在保持 STM 原子分辨率的同时，解析快速自旋过程。该成果为构建原子级量子信息元件和理解单原子-环境耦合开辟了新途径，并为更广泛的纳米尺度快速动力学研究提供了通用框架。

内容简介

作者首先回顾了传统电子顺磁共振等磁共振技术虽然能够给出皮秒-微秒量级的自旋寿命，却受制于波束尺寸及信噪比，难以解析晶格单元尺度的自旋动力学。STM 具有原子分辨能力，但常规电流放大器带宽不足以直接观测纳秒级电流变化。为克服此瓶颈，文章提出在 STM 中引入“全电子泵浦-探测序列”：泵浦脉冲（宽度 < 5 ns）将隧穿电子的能量和角动量耦合到样品原子的自旋，探测脉冲在延迟 Δt 时刻测量隧道电导的变化，从而获取自旋态的瞬态演化（图1）。

图 1 自旋敏感泵浦探针测量方案

实验样品选用 Fe 原子与邻近Cu原子构成的二聚体，放置在Cu₂N覆膜的Cu(100)基底上（图2A）。Cu₂N的极性网络不仅抑制 Fe 与基底导带电子的交换耦合，还提供了大的轴向磁各向异性，使Fe-Cu二聚体表现出异常高的易轴势垒。与单个Fe原子（Vthr≈4mV）相比，二聚体的首个自旋激发阈值提高到Vthr=16.7mV，反映其|±2⟩与|±1⟩态间存在数meV的势垒（图2B）。

图 2 自旋弛豫时间的测量

在泵浦-探测测量中，作者记录探测脉冲期间的平均电流，将其表示为每个探测脉冲传输的电子数N，并绘制ΔN =N(Δt)-N(−600 ns)随Δt的变化（图2C）。当泵浦脉冲幅值高于Vthr时，ΔN在Δt>0区域呈单指数衰减，衰减时间即为自旋弛豫时间T₁；若泵浦幅值低于阈值，则ΔN消失，说明未激发出可观测的自旋翻转（图3A）。

作者通过两组对照实验验证了指数衰减源于自旋而非其他效应：其一，将同一STM探针顶端的 Mn 原子可逆转移以切换尖端的自旋极化度，发现非自旋极化尖端下 ΔN≈0；其二，在同样自旋极化尖端下测量邻近的 Cu 单原子，也未观察到衰减（图2C 下两条曲线）。

随后，研究人员系统扫描了泵浦脉冲宽度、占空比以及隧道结电阻，发现 T₁ 对这些实验参数几乎不敏感，而 ΔN 的幅值与 Vpump 呈明显门槛行为，进一步证实激发来源于无弹性隧穿电子为自旋提供的最小能量包络（图3A，图3B）。更重要的是，T₁ 不随泵浦幅值增加而改变（图3B），说明泵浦脉冲本身对弛豫过程影响极小。

图 3 7T下自旋激发的阈值依赖性

自旋弛豫对外磁场呈现出独特的非单调依赖。当磁场由 0 提升到约 6 T 时，Zeeman 劈裂增大了|±2⟩态的能级差，降低了量子隧穿矩阵元，导致T₁最长可达250 ns；再继续增大磁场，横向分量增强反而缩短T₁（图4A，4B）。在同一视场中观测到的两条Fe-Cu二聚体曲线亦呈现2–3倍差异，作者将其归因于局域表面缺陷造成的微观环境不同，这突出体现了该方法在解析原子尺度自旋-环境耦合方面的优势。

机理讨论部分以单离子-晶场模型为核心。巨大的轴向各向异性常数D使Fe-Cu二聚体形成|±2⟩慢弛豫双阱结构，热激活途径在0.6–10K区间可忽略。观测到的单指数衰减对应通过量子隧穿从 |−2⟩ 回到 |+2⟩ 的过程（图3C 绿色箭头）。自旋-晶格耦合和电子-声子散射虽不可避免，但Cu₂N覆膜作为“隔离层”显著降低了此类耗散通道，从而保证了百纳秒级的长寿命。作者还指出，只要隧穿电子可激发目标体系，且激发后隧道电导对态占据存在可测依赖，泵浦-探测STM便可推广至长寿命分子振动、分子构象翻转乃至局域加热等多种纳米尺度快速过程。

图 4 自旋弛豫时间的场和位置依赖关系

总结概述

本文通过在 STM 中嵌入纳秒级电压脉冲序列，首次实现了“时间-空间”双极限定点观测单原子电子自旋弛豫。实验结果表明，在0.6K和0–8T条件下，Fe-Cu二聚体的T₁范围在50–250ns之间，且呈现随磁场强度非单调变化的特征（图4B）。控制实验排除了尖端极化、载流子动量以及邻近无自旋原子等因素的干扰，证明了泵浦-探测 STM 能在最小扰动下捕捉纯粹的自旋动力学。

理论分析指出，巨大的易轴磁各向异性在|±2⟩慢弛豫双阱之间建立了数meV的势垒，使量子隧穿成为低温下主导的弛豫机制（图3C）；磁场方向和局域电场对Zeeman劈裂及横向混合项的调控，则赋予T₁可达百纳秒量级的可调窗口（图4A）。这一发现不仅为单原子量子比特、超高密度磁存储和自旋电子学器件提供了实验依据，也为研究分子马达、单分子电致发光及表面化学反应动力学等纳米尺度快速过程提供了新的观测范式。作者展望，若将该技术与微波或光-电混合脉冲同步，或进一步提高放大器带宽至皮秒级，就有望直接观测自旋相干进动、分子振动耦合甚至化学键断裂-成键过程，从而推动量子信息科学与纳米物理学研究进入真正的“原子-飞秒”时代。

文章信息

该研究工作以“Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution”为题于2010年9月发表在《Science》杂志上，文章的第一作者是IBM Research Division机构的Sebastian Loth研究员，文章的通讯作者是同属IBM Research Division机构的Andreas J. Heinrich资深研究员。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1191688