近日，上海科技大学物质科学与技术学院于平课题组与蒋易凡课题组、甄家劲课题组以及上海交通大学李灿博士合作，在金（Au）表面上成功合成了以奥林匹克烯为最小单元的海森堡反铁磁自旋链，并对其自旋子激发的物理现象进行探究。该研究发表于国际著名期刊《自然合成》（Nature Synthesis）。
自旋为1/2的海森堡反铁磁链是探索量子磁性特征和准粒子激发的理想一维平台，在原子尺度上探究量子磁性和准粒子激发对于操纵量子自旋系统至关重要。为了实现这一目标，制备高质量的一维自旋1/2反铁磁链极为关键。
为了获得高质量的一维1/2反铁磁自旋链，研究团队通过溶液有机合成与表面合成相结合（如图1所示）：首先在溶液中合成前驱体分子1；然后在超高真空环境中在Au(111)表面上通过乌尔曼偶联合成奥林匹克酮一维聚合物；其次，研究团队首次将裂解H原子还原技术用于1/2反铁磁链的合成，将奥林匹克酮聚合物的酮基官能团进行还原；最后利用扫描隧道显微镜特有的针尖操纵技术实现一维1/2海森堡反铁磁链。以上过程的产物都通过非接触式的原子力显微镜（nc-AFM）进行表征。
图1: 一维海森堡自旋链的合成路径以及结构表征
研究团队利用扫描隧道谱学技术（STS）对不同长度的链的电磁性质进行探究（图2），发现了两个现象：其一，无论是奇数链还是偶数链，均可以测量到一对（二聚体）或多对非弹性隧穿特征的磁激发信号，这些磁激发信号最小的激发能隙随着长度增加而减小。其二，奇数链的奇数位点上还能测量到零能共振峰。这一方面是由于随着链长度增加，出现了更多复杂的磁激发态特征导致；另一方面是由于奇数链的磁基态为S=1/2，偶数链的磁基态为S=0。
图2: dI/dV谱测量不同长度的奥林匹克烯自旋链
图3：探究自旋子色散
为了探究海森堡反铁磁链的准粒子性质，科研人员还探究了较长的奥林匹克烯自旋链。通过对不同位点的dI/dV谱进行二次微分并傅里叶变换，成功观测到1/2反铁磁链自旋子激发的色散关系（图3c）
，且与理论模拟（图3d）的结果十分吻合。
本工作展示了一种通过表面合成和氢原子还原技术相结合来实现量子磁性材料的新合成策略，不仅成功实现了一维奥林匹克烯海森堡1/2反铁磁自旋链，深入探究了其磁激发性质，并观测到了与理论计算相一致的自旋子准粒子激发，从而为未来制造和探索其他奇异量子材料提供了崭新研究思路和策略。
上海科技大学是该成果的第一完成单位。物质学院的交叉科研团队跨物理、化学、理论等不同领域，其良好的协同合作促成了本次原创成果的产生。上科大物质学院于平课题组博士后苏学磊、博士生丁志浩、博士生洪烨为文章的共同第一作者，上海科技大学物质学院于平教授、蒋易凡教授、甄家劲教授以及上海交通大学李灿博士为共同通讯作者。
论文标题：Fabrication of spin-1/2 Heisenberg antiferromagnetic chains via combined on-surface synthesis and reduction for spinon detection
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