自旋密度波（Spin density wave, SDW）是一种经典的巡游电子磁有序。它在过渡金属、非常规超导和重费米子体系中都有发现，表现为实空间中的自旋幅度调制。SDW的形成一般是费米面嵌套和电子关联效应的共同作用，其调制周期可与晶格脱耦（非公度SDW），并可能与非常规超导机制、电荷密度波态等密切相关，因此一直是强关联领域重要研究课题。自发现以来，SDW的观测多采用中子衍射、XRD 等宏观手段；然而对其微观实空间的测量非常少，这主要是因为原子尺度上的自旋探测手段比较缺乏。


自旋极化STM 是一种具有原子级分辨率的自旋探测手段，它对仪器测量精度和样品表面质量要求很高，目前国际上只有很少几个STM 组能够实现。最近我们课题组通过制作覆盖磁性材料的针尖，成功在稀释制冷STM 系统中获得了自旋分辨，并实现了自旋密度波的实空间观测。该工作针对Cr 这一经典SDW体系开展，我们制备了清洁的Cr(001)表面，进而观测到了对应费米面嵌套波矢的非公度自旋调制。通过矢量磁场控制针尖极化，我们确定了其自旋结构为线性极化的SDW （而非螺旋磁），这是首个对SDW 磁结构的实空间表征。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 具有相同畴结构和相位，体现出伴生序关系。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磁有序自旋结构和其与伴生序相互关系上的重要作用。也为将来研究非常规超导体系中的磁性等打下重要基础。该工作发表于Nat. Commun. 13, 445 (2022)

图a, 在同一区域不同能量下展现的SDW和CDW条纹，其周期呈现2倍关系；b, 铬单晶中的自旋排列示意图，既有长程SDW调制，又有层间反铁磁耦合；c, 结合矢量磁场和磁性针尖测量样品表面磁矩在各个方向的分量及其空间分布。