IT之家 9 月 17 日消息，拓?fù)湮飸B(tài)具有受保護(hù)的拓?fù)溥吔缒Ｊ?，?duì)局域擾動(dòng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(duì)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)。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所宣布聯(lián)合北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心 Q03 組特聘研究員楊鍇團(tuán)隊(duì)利用自主設(shè)計(jì)和搭建的電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了幾種人工拓?fù)淞孔哟朋w的原子級(jí)精準(zhǔn)構(gòu)筑，并對(duì)其多體拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行高精度探測(cè)。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(tái)。
據(jù)介紹，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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院與北京市的支持。IT之家注意到，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上（DOI:10.1038/s41565-024-01775-2）。
中國(guó)科學(xué)院介紹稱，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(gè) neV 的超高能量分辨率，可以在單個(gè)原子尺度對(duì)自旋系統(tǒng)進(jìn)行高精度探測(cè)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(cè)和量子模擬的工作。
該團(tuán)隊(duì)利用自主設(shè)計(jì)搭建的極低溫矢量磁場(chǎng) 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(shí)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(shí)現(xiàn)了一階和二階的拓?fù)淞孔哟朋w，并利用 ESR-STM 在單個(gè)原子尺度對(duì)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)行了高精度探測(cè)（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(cè)，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(duì)于一個(gè)包含偶數(shù)個(gè)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?jī)蓚€(gè)自旋可視為一個(gè)元胞。當(dāng)胞內(nèi)交換相互作用小于胞間時(shí)，自旋鏈的兩端會(huì)出現(xiàn)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。實(shí)驗(yàn)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(duì)于拓?fù)錁?gòu)型的自旋鏈，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在自旋鏈的兩端存在近四重簡(jiǎn)并的拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而對(duì)于拓?fù)淦接沟淖孕?，其基態(tài)則為自旋單態(tài)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拓?fù)溥吔鐟B(tài)相比單個(gè)自旋具有更長(zhǎng)的量子相干時(shí)間，表現(xiàn)出拓?fù)鋺B(tài)的魯棒性。進(jìn)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(cè)到高階的拓?fù)浣菓B(tài)。
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