量子世界拓扑新发现：自旋阵列展现多体奇异相！

【研究背景】

随着凝聚态物理和量子信息科学的不断进展，对拓扑物质的探索引起了广泛关注。拓扑量子态由于其在量子信息处理中的保护特性和潜在应用而备受重视。拓扑物质中的拓扑量子态具有独特的物理特性，如抗扰动能力和量子态的稳定性，这些特性为实现高效的量子计算和量子通信奠定了基础。然而，尽管对非相互作用拓扑态的研究已经取得了显著进展，如何在固态平台上实现多体拓扑相并在原子分辨率下进行探测仍然面临重大挑战。

多体拓扑相是指在相互作用自旋系统中出现的拓扑量子态，通常表现出比单粒子拓扑态更复杂的特性。这些多体拓扑相的实现需要精确控制和测量原子级别的自旋交互作用，这是非常困难的。虽然已有一些研究在金属表面上实现了一维拓扑自旋链，并通过Kondo共振探测了拓扑边缘态，但在绝缘体上制造二维拓扑自旋阵列并保护自旋免于屏蔽的工作仍未有突破。因此，如何在绝缘体上构建具有原子分辨率的多体拓扑量子系统，仍然是一个未解的难题。

为了解决这一问题，中国科学院物理研究所杨锴、Jose L. Lado教授团队采用了扫描隧道显微镜（STM）和电子自旋共振（ESR）技术，构建了拓扑量子海森堡自旋晶格。具体而言，研究团队在绝缘的MgO薄膜上，通过精确定位自旋-1/2 Ti原子，组装了一维自旋链和二维自旋阵列。通过调整反铁磁交换相互作用，他们成功实现了量子自旋模型的拓扑相和平凡相，从而实现了一阶和二阶拓扑量子磁体。利用单原子电子自旋共振，研究团队以优于100 neV的能量分辨率探测了这些量子磁体的多体激发，并通过STM针尖的原子级局域磁场，直观地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。

【仪器新发现】

（1）实验首次构建了拓扑量子海森堡自旋晶格，通过在绝缘MgO薄膜上组装自旋-1/2 Ti原子的自旋链和二维自旋阵列，实现了量子自旋模型的拓扑相和平凡相。这一构建使得一阶和二阶拓扑量子磁体首次得以实现。

（2）实验通过单原子电子自旋共振（ESR）探测了量子磁体的多体激发，能量分辨率优于100 neV。利用扫描隧道显微镜（STM）针尖的原子级局域磁场，成功可视化了多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。这些成果表明了多体拓扑模态在固态平台上的实现，展示了相互作用自旋的奇异量子多体相的底层模拟方法。

【图文解读】

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。

【科学启迪】

本文的通过在绝缘MgO薄膜上组装自旋-1/2 Ti原子，成功构建了拓扑量子海森堡自旋晶格，展示了原子级精度工程化制造拓扑量子态的可能性。其次，该研究通过电子自旋共振（ESR）技术探测了多体拓扑态，揭示了拓扑边缘态、拓扑缺陷和高阶角态等多体拓扑束缚模态，为理解复杂的量子多体相互作用提供了新的实验依据。这种自下而上的方法证明了在固态平台上实现多体拓扑相的可行性，推动了从单粒子拓扑态到多体拓扑相的研究进展。最后，这项研究不仅为量子磁体和量子计算的实现提供了新思路，还为探索更复杂的拓扑相如量子自旋液体和新型拓扑量子计算态奠定了基础，展现了广泛的应用前景和潜在价值。

参考文献：Wang, H., Fan, P., Chen, J. et al. Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01775-2