又是一個深夜，中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）的C樓實驗室燈火通明。2021級博士生王浩緊緊盯著電腦屏幕，十分謹慎地操控著實驗，還差兩個獨立的“原子積木”，一個特殊量子結構的構造就基本完成了。
他每一次精確移動“原子積木”，電腦屏幕上的圖像都會產生微妙變化。第二天上午，最后兩個獨立“原子積木”到位，在電腦屏幕上，一張整齊的4×4的原子陣列圖出現了，他們終于迎來勝利時刻。
人工拓撲量子磁體。受訪者供圖
王浩是物理所特聘研究員楊鍇團隊的一員，也是楊鍇的第一位博士生。他們利用自主設計和搭建的特殊顯微鏡——電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，通過精準操控原子，成功創造出稱為“拓撲量子磁體”的極微小磁結構，在單個原子尺度上進行了量子多體拓撲相的量子模擬。該工作為更深入的探索多體拓撲物態提供了一個新的固態研究平臺。8月29日，《自然—納米技術》雜志發表了這一研究成果。
探索量子世界新現象
2019年，在一年一度的美國物理學會“三月會議”上，楊鍇遇到了好友、芬蘭阿爾托大學的教授Jose Lado。他們討論起一個前沿的科學問題——是否能夠在固體表面對量子多體拓撲物態進行原子尺度的量子模擬。
這個問題的背后，暗藏著量子世界新奇的物理現象。
量子材料因具有豐富的新奇物性，在未來的無耗散電子器件和量子信息處理領域具有巨大潛力。因此，深入理解量子材料中的拓撲物態等量子效應，已成為凝聚態物理和量子信息科學領域的前沿熱點課題之一。
然而，由于計算復雜度大幅增加，經典計算機難以模擬復雜的量子現象。1982年，為了克服這一計算困難，著名物理學家理查德·費曼提出，可以通過構建可控的人工量子系統來進行量子模擬。
經過幾十年的發展，人工量子系統已經具備了可定制結構和可調參數等優異性能。只是，目前的量子模擬研究主要集中在無相互作用的拓撲物態上。而對于具有相互作用的多體拓撲物態，量子模擬仍然面臨很大困難。
對于挑戰這一難題，楊鍇掌握著新技術，Jose Lado可以做理論支持，他們隨即決定開展合作研究。
化身原子世界的“搬運工”
量子磁體，是通過自旋相互作用表現出獨特量子現象的材料，而具有拓撲性質的量子磁體通常有著特殊的幾何結構。理論研究已預言，“二聚化”的自旋1/2反鐵磁海森堡模型具有多體相互作用的拓撲模式，研究人員以此為基礎進行了量子模擬。
簡單來看，該模型的圖像是，自旋鏈的兩端是未配對原子，中間則為兩兩配對的原子。研究人員就要通過一個原子級鋒利的金屬探針，將極其微小的“原子積木”以非常精確的方式連接在一起，把一堆散亂的原子排列成這種兩兩配對的圖案。
然而，精確控制并不簡單，因為原子并不“聽話”，稍不留神，它們會朝向任意的方向、位置跑去。“搬運”原子的過程也并非走直線，需要繞過原子缺陷、雜質原子如鐵原子等障礙。
“結構構筑的每一步都必須要被精確指定，原子距離近了就會融在一起，遠了相互作用又不夠。”王浩說。
團隊成員24小時輪班守在電腦前，不停地“搬運”著原子，困了就出去喝一杯咖啡回來繼續操作。
一個新奇物理現象可能就藏在無數次的重復實驗和觀察之中。在經過近幾十次嘗試后，2023年9月13日晚上，“奇跡”出現了。他們成功用“原子積木”拼出具有拓撲性質的量子磁體，并展示了一種新的物質狀態——高階拓撲量子磁體。
楊鍇介紹，拓撲量子磁體中的激發與傳統磁體截然不同，能夠表現出傳統材料中無法觀察到的奇異物理現象，例如受到“保護”的拓撲邊界態。相關研究將有助于人們探索和理解量子世界的各種新奇物態，為未來量子器件的應用打下基礎。
探量子世界之“利器”
作為固態量子模擬領域的熱門研究方向，原子尺度下多體拓撲物態的量子模擬問題正在成為全球眾多課題組積極攻關的課題。為什么中國科學家團隊能夠率先給出了一份答卷？
一位審稿人的評價給出了一個答案，他說：“我認為這項工作是ESR-STM技術對原子尺度科學進行探索的一個有趣的成果，顯示了ESR-STM技術在未來探索人工自旋晶格，實現量子自旋液體相和拓撲結構方面的潛力。”
這里的“ESR-STM”指的就是電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，也是楊鍇團隊獲得重要進展的“利器”。
電子自旋共振掃描隧道顯微鏡是掃描隧道顯微鏡技術和電子自旋共振技術的融合。科學家可以通過一根極細的針尖在材料樣品表面進行掃描，從而繪制出材料的原子級結構圖。同時，還可以在原子尺度上測量自旋共振特性。
其中，被譽為能“看得見原子”的掃描隧道顯微鏡（英文簡稱STM）是研究量子科學的重要科學儀器，于1982年在IBM誕生。多年來，STM不斷與其它技術融合，在科學研究中發揮著重要作用。
2015年，楊鍇前往IBM Almaden研究中心從事博士后研究。期間，他深度參與了電子自旋共振掃描隧道顯微鏡這種先進技術的開創與發展，并取得了一系列重要研究進展。
楊鍇介紹，作為一種具有發展前景的量子模擬技術，電子自旋共振掃描隧道顯微鏡具有原子分辨的成像能力以及幾十個納電子伏的超高能量分辨率，可以在單個原子尺度對微弱的自旋信號進行測量與操控。
然而，在國內，這一先進科學儀器和技術的發展仍處于較弱的階段。2021年，楊鍇回國加入物理所，帶領團隊開啟了儀器搭建的艱難探索之路。他們從實驗室選址開始，在條件有限的情況下，為了減少噪聲干擾、確保最佳的實驗條件，團隊將電子自旋共振掃描隧道顯微鏡安排在一個單獨的房間。團隊成員則在隔壁較小的空間“操控”。
之后，從減震平臺的搭建，到儀器線路的設計和控制軟件的編寫，他們一步步攻關。歷時多年，終于成功搭建起電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，其性能和指標達到了國際先進水平。
勝利帶來的喜悅是短暫的，但前進的動力卻是長久的。未來，團隊將繼續探索量子結構中的拓撲物態等量子效應，為量子科技領域的發展筑牢根基。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01775-2
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