FUTURE | 远见 闵青云 选编
近期，中国科学院物理研究所杨锴、Jose L. Lado教授团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为「Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces」的最新论文。科学家们致力于在原子级别精确工程化自旋系统。最近的研究中，科学家们通过在绝缘MgO薄膜上组装自旋-1/2 Ti原子，构建了拓扑量子海森堡自旋晶格，实现了一阶和二阶拓扑量子磁体。
研究背景
人工量子系统作为实现拓扑物质的平台，因其在量子信息处理和拓扑态模拟中的潜力，已成为研究热点。然而，在固态平台上实现具有原子分辨率的多体拓扑相仍然面临挑战。非相互作用的拓扑态在实验中已取得显著进展，但相互作用拓扑相的实现仍然困难重重，尤其是在固态系统中。
研究内容
中国科学院物理研究所杨锴、Jose L. Lado教授团队利用单原子电子自旋共振（ESR）技术，以优于100 neV的能量分辨率探测了量子磁体的多体激发，并通过扫描隧道显微镜针尖的原子级局域磁场可视化了各种多体拓扑束缚模态，包括拓扑边缘态、拓扑缺陷和高阶角态。这一研究结果为相互作用自旋的奇异量子多体相的模拟提供了新的自下而上的方法，标志着在拓扑量子材料领域的重要进展。
图文解读
1. 实验首次实现拓扑量子自旋晶格：作者首次在绝缘MgO薄膜上，通过扫描隧道显微镜（STM）组装了自旋-1/2 Ti原子构成的一维自旋链和二维自旋阵列，实现了拓扑量子海森堡自旋晶格。该实验不仅展示了拓扑量子自旋模型的拓扑相和平凡相，还成功实现了拓扑量子磁体的第一阶和第二阶拓扑相。
2. 实验通过单原子电子自旋共振（ESR）探测多体激发：作者利用单原子ESR，以优于100 neV的能量分辨率，探测了量子磁体的多体激发。借助STM针尖的原子级局域磁场，作者可视化了多体拓扑束缚模态，包括拓扑边缘态、拓扑缺陷和高阶角态。这些观测结果表明，多体拓扑模态在原子精度下仍能保持稳定，展现出其固有的拓扑特性。
图1 | 在表面上，二聚化反铁磁自旋-1/2晶格的实现。
图2 | 6-自旋链的拓扑与平凡构型。
图3 | 8-自旋链的拓扑边缘态。
图4 | 9-自旋链的拓扑束缚模。
图5 | 4×4自旋晶格的高阶拓扑模。
结论展望
本文通过在绝缘MgO薄膜上精确组装自旋-1/2 Ti原子，成功构建了拓扑量子海森堡自旋晶格，展示了工程化量子自旋模型的可能性。这种自下而上的构建方法，为研究复杂的多体量子相提供了高度可控的平台，有望推动对拓扑量子磁体和高阶拓扑态的理解。其次，通过单原子电子自旋共振技术实现了亚微电子伏特级的能量分辨率，能够探测到拓扑边缘态、拓扑缺陷和高阶角态等多体拓扑束缚模态，为未来在量子计算和拓扑量子材料领域的应用奠定了基础。最后，这项研究展示了利用人工量子系统模拟和探索奇异量子多体相的潜力，为开发新型量子材料和器件提供了重要的理论依据和实验指导。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01775-2
