中科院物理所通过电子自旋共振扫描隧道显微镜搭建拓扑量子磁体
在凝聚态物理和量子信息科学的前沿，拓扑物态以其独特的受保护拓扑边界模式和对局域扰动的鲁棒性，成为了研究的热点。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03组特聘研究员杨锴团队利用自主设计和搭建的电子自旋共振扫描隧道显微镜，取得了突破性进展，成功实现了几种人工拓扑量子磁体的原子级精准构筑，并对其多体拓扑物态进行了高精度探测。相关研究成果以《Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces》为题，发表在国际学术期刊《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上，为多体拓扑态的量子模拟提供了宝贵的固态研究平台。
电子自旋共振扫描隧道显微镜(ESR-STM)是一种集高分辨率成像与量子操控于一体的尖端技术，具有原子分辨的成像能力以及几十个neV的超高能量分辨率，可以在单个原子尺度对自旋系统进行高精度探测与量子相干操控。
研究团队利用自主设计搭建的极低温矢量磁场ESR-STM系统，以单原子精度构筑了具有多体拓扑物态的人工量子磁体，实现了二聚化的自旋1/2反铁磁海森堡模型的量子模拟。该研究在氧化镁薄膜表面利用自旋1/2的钛原子构筑了几种自旋晶格，如二聚化的一维自旋1/2反铁磁海森堡链以及二聚化的二维自旋1/2反铁磁海森堡阵列，实现了一阶和二阶的拓扑量子磁体，并利用ESR-STM在单个原子尺度对自旋晶格的多体拓扑边界态以及多体拓扑角态进行了高精度探测(能量分辨率优于100 neV)。
实验中，物理所通过探针操纵技术，构筑了拓扑和拓扑平庸两种构型的二聚化自旋链。对于拓扑构型的自旋链，实验发现在自旋链的两端存在近四重简并的拓扑边界态，而对于拓扑平庸的自旋链，其基态则为自旋单态。同时，实验发现，拓扑边界态相比单个自旋具有更长的量子相干时间，表现出拓扑态的鲁棒性。进一步，科研人员构筑了二维的自旋1/2反铁磁海森堡自旋阵列，并观测到高阶的拓扑角态。
杨锴团队的研究成果不仅是对ESR-STM技术应用的一次重大突破，也为多体拓扑态的量子模拟开辟了新的途径。这一技术平台的建立，将极大推动我们对关联拓扑物理的深入理解，并为未来基于拓扑物态的技术革新奠定基础。
素材来源： 中国科学院物理研究所
