磁性量子材料的缺陷工程及其局域量子态自旋的调控，有望构筑未来实用化的自旋量子器件，是目前凝聚态物理研究的热点领域之一。笼目晶格（kagome）材料具有独特的共顶点三角形二维网格，从而呈现几何阻挫、平带、狄拉克交点，范霍夫奇异点、拓扑能带以及子晶格量子干涉效应等特征，孕育了丰富的量子物态。近几年，具有笼目晶格Co₃Sn层磁性金属Co₃Sn₂S₂展现出了反常霍尔效应、拓扑表面态费米弧、手性异常负磁电阻等新奇拓扑物性。在原子尺度上研究笼目晶格磁性外尔半金属的局域激发态是该领域的重大挑战。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士带领的联合研究团队率先提出了在Co₃Sn₂S₂中S表面单原子空位的“自旋轨道极化子”（Nat. Commun. 11, 5613 (2020)）概念。他们进一步通过化学键分辨的原子力显微镜解决了国际上关于S和Sn解理面存在的争议，并发现表面笼目电子结构（Nat. Commun. 14, 5230 (2023)）。然而，如何在单原子层次上实现“自旋轨道极化子”的精准构筑及其物性调控仍充满挑战。

　　最近，该团队的陈辉副研究员、博士生邢宇庆（已毕业）等基于扫描隧道显微镜的原子“空位”操纵技术，实现了磁性外尔半金属系统Co₃Sn₂S₂·中S原子空位缺陷的可控构筑和对“自旋轨道极化子”激发态能级与轨道磁矩的原子级精准调控。他们发现：1. 通过在针尖尖端施加局域电场对S表面随机分布的原子空位缺陷进行逐步修复，构筑了具有特定几何形状（长链型、三角形、六角形等）和尺寸的人工S原子空位结构；2. 人工S原子空位的局域束缚态展现“自旋轨道极化子”特征，其激发态随空位尺寸的增大向费米能级移动。结构对称性越高，激发态能级移动的程度越明显；3. 人工S原子空位的轨道磁矩随尺寸的逐步增大，从极化子的局域磁矩（1.35μB ）演化为具有巡游特性的平带负磁矩（3μB）。

　　该工作首次在新型量子拓扑材料中实现了 对“自旋轨道极化子”原子级精准构筑与物性调控。这种“缺陷量子工程”有望实现功能量子拓扑态的原子级定向构建和有序编织，为磁性外尔体系中磁序与拓扑性质的调控与器件应用开辟了新的途径。

　　该工作受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目和中国科学院的资助。中国科学院物理研究所刘恩克研究员、杨海涛研究员和邱祥冈研究员提供了Co₃Sn₂S₂·单晶样品，以色列魏尔兹曼研究所谭恒心博士与Binghai Yan教授和美国波士顿学院Ziqiang Wang教授等开展了相关理论工作。相关成果以“Atomically precise engineering of spin–orbit polarons in a kagome magnetic Weyl semimetal” 为题发表于Nature Communications 15, 2301 (2024)。

　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46729-3。

图 Co₃Sn₂S₂的空位缺陷操控前后的STM图像与原子构型以及人工空位结构的可控构筑与自旋极化子的精准调控