磁性表面原子运动的各向异性调控：自旋有序对Co/Rh/Ir原子一维扩散的支配机制

针对磁性表面原子扩散机制不明的科学难题，德国汉堡大学André Kubetzka团队通过扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论(DFT)研究，首次揭示Mn/Re(0001)反铁磁表面可诱导Co/Rh/Ir原子沿自旋平行(↑↑)晶列的严格一维运动。该发现为利用磁序调控纳米结构生长和分子自组装提供了新范式，发表于《Nature Communications》。

　　

在表面科学领域，原子和分子在固体表面的扩散行为一直是理解材料生长、催化反应和自组装过程的核心问题。传统研究主要关注非磁性表面，认为温度、表面对称性和原子间相互作用是决定扩散路径的关键因素。然而，当表面具有磁性时，自旋自由度会如何影响原子运动？这个问题的答案长期缺失，既缺乏实验证据，也缺乏理论解释。特别是在反铁磁表面，由于相邻原子磁矩的反平行排列可能产生复杂的势能景观，这种磁序是否能够成为操控原子运动的新维度？德国汉堡大学André Kubetzka团队的最新研究给出了突破性的答案。

研究人员采用扫描隧道显微镜(STM)在4.2K极低温下，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了fcc堆垛Mn单层在Re(0001)基底上形成的行式反铁磁(AFM)表面对Co、Rh、Ir三种过渡金属原子扩散行为的影响。关键技术包括：自旋极化STM(SP-STM)表征磁畴结构、电压脉冲触发原子运动、原子追踪反馈技术精确定位，以及基于弹性带法(NEB)的势垒计算。特别值得注意的是，实验使用Cr针尖在+8-50mV阈值电压下可精确操控Co原子运动，而DFT计算考虑了Mn层的磁性诱导横向位移(15pm)。

结果部分：

结构对称性破缺与一维Co原子运动
通过SP-STM成像确认Mn/Re(0001)表面存在三种等效旋转磁畴，其行式AFM状态导致表面C₃对称性破缺。非磁性STM成像显示，Co原子在电压脉冲触发后严格沿自旋平行(↑↑)晶列运动，最大位移达10nm（200mV脉冲）。DFT计算揭示hcp空位吸附位点能量最低，且沿↑↑晶列扩散势垒(150meV)显著低于跨晶列方向(260meV)，这种各向异性源于Co原子磁矩(1.6μ_B)与Mn基底的自旋耦合守恒需求。

反铁磁畴控制的原子运动方向
通过设计包含两个旋转磁畴的样品区域，证明Co原子运动方向完全由局域磁畴取向决定：在左畴沿图像左上方向，在右畴垂直向上，均严格对应各自磁畴的↑↑晶列方向。Rh原子（非磁性）也表现出一维运动特性，但迁移率较低（1V脉冲下仅移动1-2.5nm），DFT归因于诱导磁矩(0.3μ_B)在↑↑桥位导致的电子态密度不利增加。

磁性诱导的晶格位移效应
DFT计算发现Mn单层相对于Re基底出现15pm横向位移，这种由磁序驱动的结构畸变进一步增强了势能景观的各向异性。对比计算显示，未位移Mn层的扩散势垒几乎各向同性，证实磁性重构对一维运动的决定性作用。有趣的是，Cu原子计算预测其扩散呈现二维各向异性，偏好沿自旋反平行(↑↓)晶列运动，与Co/Rh行为相反。

讨论与结论：
这项研究首次实验证实磁性表面状态可以成为调控原子扩散的新维度。行式反铁磁序通过三重机制实现原子运动的一维导向：(1)自旋相关电子态密度调制；(2)磁性诱导的晶格位移；(3)吸附原子磁矩与基底的自旋耦合约束。特别值得注意的是，非磁性Rh原子也表现出磁序主导的运动特性，说明诱导磁矩效应不容忽视。研究还发现Co原子异常高的迁移率可能与其较低的结合能(1.5eV)、较小3d轨道空间扩展以及自旋自由度能量存储机制相关。

该成果对纳米制造和表面催化具有深远意义：首先，反铁磁畴可通过电流重排实现原子运动路径的动态控制；其次，不同元素可设计不同的择优扩散方向，为原子级图案化提供新思路；最后，磁序对分子自组装的影响可能开辟新的研究维度。正如作者指出，这项工作将"磁性"成功引入表面扩散的控制参数体系，为理解磁有序系统中的质量输运、界面反应和结构演化奠定了重要基础。