新闻网讯 10月17日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线刊发了物理学院付英双教授领导的低维物理与量子材料团队题为《单分子近藤磁体中的自旋-轨道YSR态》（Spin-orbital Yu-Shiba-Rusinov states in single Kondo molecular magnet）的论文。我校为第一单位，付英双教授为通讯作者，物理学院博士生夏惠南（已毕业）为第一作者。日本分子科学研究所Emi Minamitani教授、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学Rok?0?5itko教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Mario Ruben教授、博士生廖心和刘振宇、团队成员张文号副教授作出了重要贡献。我院高国营副教授参与了有益讨论。

当局域自旋与库伯对波戈留波夫准粒子发生交换相互作用，可以在超导能隙内产生Yu-Shiba-Rusinov （YSR）态自旋激发。（该自旋激发态的理论预测由我国科学家于渌院士、日本科学家Hiroyuki Shiba和前苏联科学家A.L. Rosinov独立提出。）YSR态拥有尖锐的峰宽和长寿命，可以作为研究复杂相互作用的灵敏探针，还可以构建更为新奇的拓扑超导体。分子磁体具有稳定的自旋中心，优异的自组装特性，并易于进行功能化配体修饰，从而是构建分子基拓扑超导体的理想载体。更重要的是，自由基自旋由具有丰富空间结构特征的分子轨道所承载，这可能会产生自旋-轨道耦合的全新的YSR态激发机制。因此，研究分子基YSR态具有重要意义。

付英双团队在超导体Pb（111）表面生长了分子磁体Tb2Pc3。该分子在表面形成了自组装薄膜，并与Pb衬底晶格形成了摩尔超晶格。团队发现摩尔超晶格调整了分子与衬底之间的电荷转移，导致处于摩尔晶格不同位置处的分子具有不同的自旋态。其中存在自由基自旋的分子呈现出近藤效应（图1a,b），并且其近藤峰的分布强度与最低未占据分子轨道呈正交分布（图1c,d）。他们还发现近藤共振宽度随分子内不同位置（图1e）和针尖高度（图1f,g）表现出显著变化，这种变化是由针尖效应引起的：STM针尖和分子之间存在吸引相互作用，并减弱了分子和衬底之间的耦合。

团队进一步在该分子中发现了具有两对峰的YSR态，同样与分子轨道正交分布（图2a）。YSR态的能量随分子内不同位置（图2b）和针尖高度（图2c）发生移动。但是两对YSR态的能量移动幅度不同，其中靠近费米面的一对YSR态随近藤峰宽变化移动显著，但是远离费米面的一对YSR态移动甚少（图2d）。

结合第一性原理计算，他们发现分子吸附在衬底表面发生形变，导致最低未占据轨道（LUMO）的双重简并解除，其中一个LUMO轨道被衬底转移的电子占据，形成1/2自旋态，另一个LUMO轨道少量占据，形成电荷涨落轨道。他们进一步的数字化重整化群模型计算可以很好地复现实验观测（图2e），表明这两个分子轨道存在较弱但不可忽视的交换相互作用，形成了一种全新的自旋-轨道YSR态（图2f）。

研究发现了分子内自旋相互作用与超导库伯对耦合的新机制，确立了一种新型的YSR态，有助于理解更复杂的多体激发，也为构建分子拓扑超导奠定了基础。

Tb2Pc3的近藤效应。a.Tb2Pc3的形貌。b.2T磁场下分子不同位置处的扫描隧道谱。c-d.近藤峰和分子轨道的态密度分布成像。e.近藤峰宽随c图中蓝色线标识的不同位置的变化。f. 近藤峰随针尖高度的演化。g.近藤峰宽与高度的关系。

Tb2Pc3的YSR态。a. YSR态的空间分布。b. 分子内不同位置处的YSR态。c. YSR态随针尖高度的演化。d. YSR态能量位置与近藤峰宽的关系。e. 数字重整化群理论模拟的YSR态随针尖高度的演化。f. 自旋-轨道YSR态的理论模型图。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34187-8