利用“原子积木”他们首次搭建拓扑量子磁体
人工拓扑量子磁体。受访者供图
■本报记者 韩扬眉
又是一个深夜，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）C楼的实验室灯火通明。2021级博士生王浩紧盯着电脑屏幕，十分谨慎地操控实验，因为还差两个独立的“原子积木”，一个特殊量子结构的构造就基本完成了。
他每次精确移动“原子积木”，电脑屏幕上的图像都会产生微妙变化。第二天上午，最后两个独立的“原子积木”到位——在电脑屏幕上，一张整齐的4×4原子阵列图出现了。他们终于迎来了胜利时刻。
王浩是物理所特聘研究员杨锴团队的一员，也是杨锴的第一位博士生。他们利用自主设计和搭建的特殊显微镜——电子自旋共振扫描隧道显微镜，通过精准操控原子，成功创造出被称为“拓扑量子磁体”的极微小磁结构，在单个原子尺度上进行了量子多体拓扑相的量子模拟。该工作为更深入探索多体拓扑物态提供了一个新的固态研究平台。这一研究成果近日发表于《自然-纳米技术》。
探索量子世界新现象
2019年，在一年一度的美国物理学会“三月会议”上，杨锴遇到了好友、芬兰阿尔托大学教授Jose Lado。他们讨论了一个前沿科学问题——能否在固体表面对量子多体拓扑物态进行原子尺度的量子模拟。
这个问题的背后，暗藏着量子世界新奇的物理现象。
量子材料因具有丰富的新奇物性，在未来的无耗散电子器件和量子信息处理领域具有巨大潜力。因此，深入理解量子材料中的拓扑物态等量子效应，已成为凝聚态物理和量子信息科学领域的前沿热点课题之一。
然而，由于计算复杂度大幅增加，经典计算机难以模拟复杂的量子现象。1982年，为了克服这一困难，著名物理学家理查德·费曼提出，可以通过构建可控的人工量子系统进行量子模拟。
经过几十年的发展，人工量子系统已经具备了可定制结构和可调参数等优异性能。只是目前的量子模拟研究主要集中在无相互作用的拓扑物态上，对于具有相互作用的多体拓扑物态，量子模拟仍面临很大困难。
对于这一难题，杨锴掌握了新技术，Jose Lado可以提供理论支持，他们随即决定开展合作研究。
化身原子世界“搬运工”
量子磁体，是通过自旋相互作用表现出独特量子现象的材料，而具有拓扑性质的量子磁体通常有特殊的几何结构。理论研究已预言，“二聚化”的自旋1/2反铁磁海森堡模型具有多体相互作用的拓扑模式，研究人员以此为基础进行了量子模拟。
简单来看，该模型的图像为自旋链的两端是未配对原子，中间则为两两配对的原子。研究人员需要通过一个原子级锋利的金属探针，将极其微小的“原子积木”以非常精确的方式连接在一起，把一堆散乱的原子排列成这种两两配对的图案。
然而，精确控制并不简单，因为原子并不“听话”，稍不留神，它们便会朝任意方向、位置跑去。“搬运”原子的过程也并非走直线，需要绕过原子缺陷、杂质原子如铁原子等障碍。
“结构构造的每一步都必须精确指定，原子距离近了就会融在一起，远了相互作用又不够。”王浩说。
团队成员24小时轮班守在电脑前，不停地“搬运”原子，困了就出去喝一杯咖啡，回来继续操作。
一个新奇的物理现象可能就藏在无数次的重复实验和观察中。经过几十次尝试后，2023年9月13日晚上，“奇迹”出现了。他们成功用“原子积木”搭建具有拓扑性质的量子磁体，并展示了一种新的物质状态——高阶拓扑量子磁体。
杨锴介绍，拓扑量子磁体中的激发与传统磁体截然不同，表现出在传统材料中无法观察到的奇异物理现象，例如受到“保护”的拓扑边界态。相关研究将有助于人们探索和理解量子世界的各种新奇物态，为未来量子器件的应用打下基础。
量子研究新“利器”
作为固态量子模拟领域的热门研究方向，原子尺度下多体拓扑物态的量子模拟问题正在成为全球科学家积极攻关的课题。为什么中国科学家团队能够率先交出一份答卷？
一位审稿人的评价给出了答案。他说：“我认为这项工作是ESR-STM技术对原子尺度科学进行探索的一个有趣成果，显示了ESR-STM技术在未来探索人工自旋晶格，实现量子自旋液体相和拓扑结构的潜力。”
这里的“ESR-STM”指的就是电子自旋共振扫描隧道显微镜，也是杨锴团队获得重要进展的“利器”。
电子自旋共振扫描隧道显微镜是扫描隧道显微镜技术和电子自旋共振技术的融合。科学家可以通过一个极细的针尖在材料样品表面进行扫描，从而绘制出材料的原子级结构图。同时，还可以在原子尺度上测量自旋共振特性。
其中，被誉为能“看得见原子”的扫描隧道显微镜是研究量子科学的重要科学仪器，于1982年在IBM诞生。多年来，扫描隧道显微镜不断与其他技术融合，在科学研究中发挥着重要作用。
2015年，杨锴前往IBM Almaden研究中心从事博士后研究。其间，他深度参与了ESR-STM的开创与发展，并取得了一系列重要研究进展。
杨锴介绍，作为一种具有发展前景的量子模拟技术，ESR-STM具有原子分辨的成像能力以及几十个纳电子伏的超高能量分辨率，可以在单个原子尺度对微弱的自旋信号进行测量与操控。
然而，这一先进科学仪器和技术的发展在国内仍处于较弱阶段。2021年，杨锴回国加入物理所，带领团队开启了仪器搭建的艰难探索之路。他们从实验室选址开始，在条件有限的情况下，为了减少噪声干扰、确保最佳实验条件，将ESR-STM安排在一个单独的房间。团队成员则在隔壁较小的空间里“操控”。
之后，从减震平台的搭建，到仪器线路的设计和控制软件的编写，团队一步步攻关。历时多年，他们终于成功搭建起ESR-STM，其性能和指标达到国际先进水平。
胜利带来的喜悦是短暂的，但前进的动力是长久的。未来，团队将继续探索量子结构中的拓扑物态等量子效应，为量子科技领域的发展筑牢根基。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01775-2