中科院物理所通過電子自旋共振掃描隧道顯微鏡搭建拓撲量子磁體
【化工儀器網 項目成果】在凝聚態物理和量子信息科學的前沿，拓撲物態以其獨特的受保護拓撲邊界模式和對局域擾動的魯棒性，成為了研究的熱點。
近期，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，取得了突破性進展，成功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了高精度探測。相關研究成果以《Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces》為題，發表在國際頂級學術期刊《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)上，為多體拓撲態的量子模擬提供了寶貴的固態研究平臺。
電子自旋共振掃描隧道顯微鏡(ESR-STM)是一種集高分辨率成像與量子操控于一體的尖端技術，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。
研究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)。
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。
楊鍇團隊的研究成果不僅是對ESR-STM技術應用的一次重大突破，也為多體拓撲態的量子模擬開辟了新的途徑。這一技術平臺的建立，將極大推動我們對關聯拓撲物理的深入理解，并為未來基于拓撲物態的技術革新奠定基礎。
素材來源： 中國科學院物理研究所
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