拓?fù)湮飸B(tài)具有受保護的拓?fù)溥吔缒Ｊ?，對局域擾動展現(xiàn)出魯棒性，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挑戰(zhàn)。

近日，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組特聘研究員楊鍇團隊利用自主設(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)進行高精度探測。相關(guān)研究成果以Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces為題，發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。這一成果為多體拓?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（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)進行高精度探測與量子相干操控。此前，楊鍇與合作者利用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。

該團隊利用自主設(shè)計搭建的極低溫矢量磁場ESR-STM系統(tǒng)，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。該研究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，如二聚化的一維自旋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)進行了高精度探測（能量分辨率優(yōu)于100 neV）。

二聚化的自旋1/2反鐵磁海森堡模型被視為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?，且其拓?fù)湮飸B(tài)可以絕熱連接到自旋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的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。實驗中，物理所通過探針操縱技術(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。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)。同時，實驗發(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，表現(xiàn)出拓?fù)鋺B(tài)的魯棒性。進一步，科研人員構(gòu)筑了二維的自旋1/2反鐵磁海森堡自旋陣列，并觀測到高階的拓?fù)浣菓B(tài)。

該工作由物理所和芬蘭阿爾托大學(xué)合作完成。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院與北京市的支持。

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電子自旋共振掃描隧道顯微鏡

具有拓?fù)溥吔鐟B(tài)的二聚化自旋1/2反鐵磁海森堡鏈