近日，中国科学技术大学物理学院陈仙辉教授、王震宇教授团队联合该校化学与材料科学学院向斌教授、香港科技大学刘军伟教授等合作者，将一类量子自旋霍尔绝缘体制备成扫描隧道显微探针，发展了原子尺度自旋探测的新方法。利用这一技术，研究团队实现了实空间原子成像、准粒子干涉成像和磁场响应谱学测量，为二维d波交错磁序提供了直接的实验证据。10月13日，题为“Atomic-scale spin sensing of a 2D d-wave altermagnet via helical tunneling”的研究论文，以加速文章预览（Accelerated Article Preview）形式在《自然》发表。
在原子尺度辨识自旋相关电子态，是研究量子材料中演生现象的重要手段。传统自旋分辨探针通常依赖于针尖末端的磁性原子修饰，其自旋态可能受到针尖与样品相互作用的影响，且往往需要外磁场的辅助。研究团队通过聚焦离子束微纳加工，将α-Bi4Br4单晶制备成具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜针尖，该探针仍呈现与螺旋边界态相符的谱学特征。为验证其自旋选择性，团队分别对Fe1+xTe中的双共线反铁磁条纹和笼目磁体FeGe中的层间反铁磁序开展测量，前者的条纹对比随样品偏压极性反转，后者的层间对比则随磁场诱导的自旋重取向而显著变化。这些结果表明，边界态的自旋–动量锁定可以转化为随隧穿方向变化的自旋选择性，为原子尺度自旋探测提供了新的途径。
微纳中心工程师李亚萍提供了聚焦离子束STM针尖制备工艺的技术支持。该探针使用高阶拓扑绝缘体α-Bi4Br4单晶作为针尖材料，基于镓离子双束 FIB-SEM结合纳米机械手原位提取工艺制备。加工过程采用逐级降束流策略对单晶悬臂远端实施锥形刻蚀，辅以超低束流终态抛光，控制离子损伤层厚度，在将尖端加工至 100 nm以内以满足 STM 隧穿成像要求的前提下，保留晶体本征的一维螺旋边缘态。通过精细化调控加工参数，可降低针尖组装引入的机械几何偏差、抑制离子注入与辐照损伤，最大程度保全尖端边缘晶体结构及螺旋边缘模，提升功能性针尖的制备成品率。
这项工作展示了拓扑量子材料作为物态测量探针的潜力：拓扑边界态不仅可以被观测，还可以用于探测其他材料的自旋相关电子态。由块体量子材料制备 STM 针尖，是把材料独特电子态集成进入扫描探针、拓展原子谱学成像能力的新途径，这一方法有望应用于二维磁体和莫尔材料，为研究其原子尺度自旋特征提供新的方法和技术。