物理所搭建拓撲量子磁體

拓撲物態具有受保護的拓撲邊界模式，對局域擾動展現出魯棒性，是凝聚態物理和量子信息科學領域的前沿熱點課題之一。人工量子系統憑借其結構的可定制性和參數的可調性，已成為研究拓撲物態的重要實驗平臺。然而，迄今為止，基于人工量子系統的拓撲物態研究集中在無相互作用的系統，而對具有相互作用的多體拓撲物態的量子模擬仍然面臨挑戰。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q03組特聘研究員楊鍇團隊利用自主設計和搭建的電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，實現了幾種人工拓撲量子磁體的原子級精準構筑，并對其多體拓撲物態進行高精度探測。相關研究成果以Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces為題，發表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。這一成果為多體拓撲態的量子模擬提供了固態研究平臺。

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。

該團隊利用自主設計搭建的極低溫矢量磁場ESR-STM系統，以單原子精度構筑了具有多體拓撲物態的人工量子磁體，實現了二聚化的自旋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，實現了一階和二階的拓撲量子磁體，并利用ESR-STM在單個原子尺度對自旋晶格的多體拓撲邊界態以及多體拓撲角態進行了高精度探測（能量分辨率優于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。理論預測，該模型具有多體的拓撲模式，且其拓撲物態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。當胞內交換相互作用小于胞間時，自旋鏈的兩端會出現受時間反演對稱性保護的拓撲邊界態。實驗中，物理所通過探針操縱技術，構筑了拓撲和拓撲平庸兩種構型的二聚化自旋鏈。對于拓撲構型的自旋鏈，實驗發現在自旋鏈的兩端存在近四重簡并的拓撲邊界態，而對于拓撲平庸的自旋鏈，其基態則為自旋單態。同時，實驗發現，拓撲邊界態相比單個自旋具有更長的量子相干時間，表現出拓撲態的魯棒性。進一步，科研人員構筑了二維的自旋1/2反鐵磁海森堡自旋陣列，并觀測到高階的拓撲角態。

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

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