10月17日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线刊发了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 Žitko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做出了重要贡献。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）。

    此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。

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

图1：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。

图2：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。