【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】拓?fù)湮飸B(tài)具有受保護(hù)的拓?fù)溥吔缒Ｊ剑瑢钟驍_動展現(xiàn)出魯棒性，在未來的無耗散電子器件和量子信息處理領(lǐng)域具有巨大潛力，是凝聚態(tài)物理和量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c課題之一。人工量子系統(tǒng)憑借其結(jié)構(gòu)的可定制性和參數(shù)的可調(diào)性，已成為研究拓?fù)湮飸B(tài)的重要實驗平臺。然而，迄今為止，基于人工量子系統(tǒng)的拓?fù)湮飸B(tài)研究主要集中在無相互作用的系統(tǒng)，而對具有相互作用的多體拓?fù)湮飸B(tài)的量子模擬仍然面臨很大挑戰(zhàn)。這一領(lǐng)域的突破將進(jìn)一步推動我們對關(guān)聯(lián)拓?fù)湮锢淼睦斫?，并為未來基于拓?fù)湮飸B(tài)的技術(shù)革新奠定基礎(chǔ)。
 

　　2024年8月29日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q03組楊鍇特聘研究員團(tuán)隊利用自主設(shè)計和搭建的電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，實現(xiàn)了幾種人工拓?fù)淞孔哟朋w的原子級精準(zhǔn)構(gòu)筑，并對其多體拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行了高精度探測，能量分辨率優(yōu)于100neV。相關(guān)成果以“Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Nature Nanotechnology上。該工作為多體拓?fù)鋺B(tài)的量子模擬提供了固態(tài)研究平臺。
 

　　電子自旋共振掃描隧道顯微鏡(Electron Spin Resonance-Scanning Tunneling Microscope, ESR-STM)具有原子分辨的成像能力以及幾十個neV的超高能量分辨率，可以在單個原子尺度對自旋系統(tǒng)進(jìn)行高精度探測與量子相干操控。過去幾年，楊鍇特聘研究員與合作者利用ESR-STM在單原子尺度開展了系列量子探測和量子模擬的工作。在自旋操控方面，實現(xiàn)了固體表面單原子自旋態(tài)的量子相干控制 [Science 366, 509 (2019)]，測量了單個原子的核磁共振譜線 [Nat. Nanotechnol. 13, 1120 (2018)]；在人工自旋晶格的構(gòu)筑與探測方面，實現(xiàn)了耦合雙自旋的探測和操控 [PRL 119, 227206 (2017), PRL 122, 227203 (2019)]，以及自旋共振價鍵態(tài)的構(gòu)筑 [Nat. Commun. 12, 993 (2021)]。
 

　　在這項研究中，楊鍇特聘研究員與王浩博士生、范朋副研究員、陳靖博士生等，利用自主設(shè)計搭建的極低溫矢量磁場ESR-STM系統(tǒng)(圖1)，以單原子精度構(gòu)筑了具有多體拓?fù)湮飸B(tài)的人工量子磁體，實現(xiàn)了二聚化的自旋1/2反鐵磁海森堡模型的量子模擬(圖2和3)。研究團(tuán)隊在氧化鎂薄膜表面利用自旋1/2的鈦原子構(gòu)筑了幾種自旋晶格，包括二聚化的一維自旋1/2反鐵磁海森堡鏈以及二聚化的二維自旋1/2反鐵磁海森堡陣列，實現(xiàn)了一階和二階的拓?fù)淞孔哟朋w，并利用ESR-STM在單個原子尺度對自旋晶格的多體拓?fù)溥吔鐟B(tài)以及多體拓?fù)浣菓B(tài)進(jìn)行了高精度的探測，能量分辨率優(yōu)于100 neV，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
 

　　二聚化的自旋1/2反鐵磁海森堡模型可以被視為Su-Schrieffer-Heeger模型的相互作用多體版本。理論預(yù)測，該模型具有多體的拓?fù)淠Ｊ剑⑶移渫負(fù)湮飸B(tài)可以絕熱的連接到自旋1反鐵磁海森堡鏈的Haldane相。對于一個包含偶數(shù)個自旋的二聚化自旋1/2反鐵磁海森堡鏈，從自旋鏈一端開始，每兩個自旋可視為一個元胞，當(dāng)胞內(nèi)交換相互作用小于胞間時，自旋鏈的兩端會出現(xiàn)受時間反演對稱性保護(hù)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。實驗中，物理所研究團(tuán)隊通過探針操縱技術(shù)，構(gòu)筑了拓?fù)浜屯負(fù)淦接箖煞N構(gòu)型的二聚化自旋鏈(圖2)。對于拓?fù)錁?gòu)型的自旋鏈，實驗發(fā)現(xiàn)在自旋鏈的兩端存在近四重簡并的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而對于拓?fù)淦接沟淖孕?，其基態(tài)則為自旋單態(tài)。實驗還發(fā)現(xiàn)，拓?fù)溥吔鐟B(tài)相比單個自旋具有更長的量子相干時間，因此表現(xiàn)出了拓?fù)鋺B(tài)的魯棒性。更進(jìn)一步，他們還構(gòu)筑了二維的自旋1/2反鐵磁海森堡自旋陣列，并觀測到了高階的拓?fù)浣菓B(tài)(圖3)。
 

　　物理所王浩博士生、范朋副研究員、陳靖博士生為本研究的共同第一作者，物理所楊鍇特聘研究員和芬蘭阿爾托大學(xué)Jose L. Lado教授為共同通訊作者。文章合作者還有中國科學(xué)院大學(xué)姜麗麗教授以及物理所高鴻鈞研究員。該工作得到科技部、北京市自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院的支持。
 

圖1. 物理所研究團(tuán)隊設(shè)計搭建的電子自旋共振掃描隧道顯微鏡(ESR-STM)
 

圖2. 具有拓?fù)溥吔鐟B(tài)的二聚化自旋1/2反鐵磁海森堡鏈
 

圖3. 具有拓?fù)浣菓B(tài)的二聚化自旋1/2反鐵磁海森堡陣列