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(wǎng) 項目成果】在凝聚態(tài)物理和量子信息科學(xué)的前沿，拓撲物態(tài)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(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q03組特聘研究員楊鍇團隊利用自主設(shè)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(xiàn)了幾種人工拓撲量子磁體的原子級精準(zhǔn)構(gòu)筑，并對其多體拓撲物態(tài)進行了高精度探測。相關(guān)研究成果以《Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces》為題，發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上，為多體拓撲態(tài)的量子模擬提供了寶貴的固態(tài)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(shù)，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(tǒng)進行高精度探測與量子相干操控。
研究團隊利用自主設(shè)計搭建的極低溫矢量磁場ESR-STM系統(tǒng)，以單原子精度構(gòu)筑了具有多體拓撲物態(tài)的人工量子磁體，實現(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，實現(xiàn)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(tài)以及多體拓撲角態(tài)進行了高精度探測(能量分辨率優(yōu)于100 neV)。
實驗中，物理所通過探針操縱技術(shù)，構(gòu)筑了拓撲和拓撲平庸兩種構(gòu)型的二聚化自旋鏈。對于拓撲構(gòu)型的自旋鏈，實驗發(fā)現(xiàn)在自旋鏈的兩端存在近四重簡并的拓撲邊界態(tài)，而對于拓撲平庸的自旋鏈，其基態(tài)則為自旋單態(tài)。同時，實驗發(fā)現(xiàn)，拓撲邊界態(tài)相比單個自旋具有更長的量子相干時間，表現(xiàn)出拓撲態(tài)的魯棒性。進一步，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，并觀測到高階的拓撲角態(tài)。
楊鍇團隊的研究成果不僅是對ESR-STM技術(shù)應(yīng)用的一次重大突破，也為多體拓撲態(tài)的量子模擬開辟了新的途徑。這一技術(shù)平臺的建立，將極大推動我們對關(guān)聯(lián)拓撲物理的深入理解，并為未來基于拓撲物態(tài)的技術(shù)革新奠定基礎(chǔ)。
素材來源： 中國科學(xué)院物理研究所
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