近日，我系张童、封东来课题组利用低温自旋极化扫描隧道显微镜（STM），成功在Cr单晶表面上实现了自旋密度波（Spin Density Wave, SDW）的实空间观测。该实验直接探测到SDW的特有自旋结构，并且同时观测到伴生的电荷密度波以及它们的周期、相位和畴结构关系，为理解这两种经典有序态的微观共存机制提供了依据。该工作以“Real-space observation of incommensurate spin density wave and coexisting charge density wave on Cr (001) surface”为题发表于Nature Communications 13, 445 (2022)上。

自旋密度波是一种经典的巡游电子磁有序，它在过渡金属和多种非常规超导中都有发现，表现为实空间中的自旋密度振荡。SDW的周期可与晶格非公度，从而显著区别于局域磁矩形成的反铁磁序。SDW的产生一般认为是费米面嵌套和电子关联效应的共同作用结果，并可能与电荷密度波、非常规超导等相伴生，因此一直是强关联领域重要研究课题。自发现以来，SDW的观测多采用中子、XRD 等衍射手段；而实空间的直接测量则鲜有报道，这主要由于原子尺度上的自旋探测比较困难。

最近，张童、封东来课题组利用自旋极化STM对SDW进行了实空间观测。做为有原子分辨率的自旋探测手段，自旋极化STM对仪器精度和针尖、样品质量有很高要求。课题组通过覆盖磁性材料得到了自旋极化针尖，然后针对Cr 这一经典非公度SDW体系展开研究。他们在清洁的Cr(001)表面观测到了清晰的自旋调制，其周期对应费米面嵌套形成的非公度波矢。进一步的通过矢量磁场控制针尖极化方向，课题组实现了自旋各个空间分量的测量，从而确定了该自旋调制为线性极化的非公度SDW，而非螺旋磁结构。这是首次对SDW自旋结构的实空间表征，体现了其巡游磁性的特征。与此同时，课题组还观测到周期为SDW一半的电荷密度波（CDW），并发现其在费米面之下打开一个反常能隙。实空间的直接测量表明SDW 和CDW 具有相同的畴结构和相位，这体现出伴生序的关系，为理解这两种经典有序态的微观共存机制提供了依据。该工作将自旋极化STM 拓展到巡游磁性研究中，体现了实空间测量对确定SDW等磁有序结构及其与伴生序关系上的重要作用。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等基金项目的支持。物理系高春雷课题组对该研究工作提供了帮助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28104-2

图(a): Cr的晶体结构和其SDW/CDW示意图。(b): Cr(001)表面的STM图像和原子分辨。(c): Cr(001)表面的隧道谱，显示出费米面之下的类能隙特征。(d):自旋极化STM得到的SDW图像及其畴界。(e): 同一个区域的 CDW成像。(f, g, h): 相反方向磁场下的SDW成像和截面图，其相位发生反转。(i): 跨越不同原子台面的SDW成像，其相位也发生反转。这些测量确定了SDW的自旋结构。