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人工拓?fù)淞孔哟朋w。受訪者供圖

又是一個(gè)深夜，中國(guó)科學(xué)院物理研究所（以下簡(jiǎn)稱物理所）C樓的實(shí)驗(yàn)室燈火通明。2021級(jí)博士生王浩緊盯著電腦屏幕，十分謹(jǐn)慎地操控實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫€差兩個(gè)獨(dú)立的“原子積木”，一個(gè)特殊量子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造就基本完成了。

他每次精確移動(dòng)“原子積木”，電腦屏幕上的圖像都會(huì)產(chǎn)生微妙變化。第二天上午，最后兩個(gè)獨(dú)立的“原子積木”到位——在電腦屏幕上，一張整齊的4×4原子陣列圖出現(xiàn)了。他們終于迎來(lái)了勝利時(shí)刻。

王浩是物理所特聘研究員楊鍇團(tuán)隊(duì)的一員，也是楊鍇的第一位博士生。他們利用自主設(shè)計(jì)和搭建的特殊顯微鏡——電子自旋共振掃描隧道顯微鏡，通過(guò)精準(zhǔn)操控原子，成功創(chuàng)造出被稱為“拓?fù)淞孔哟朋w”的極微小磁結(jié)構(gòu)，在單個(gè)原子尺度上進(jìn)行了量子多體拓?fù)湎嗟牧孔幽M。該工作為更深入探索多體拓?fù)湮飸B(tài)提供了一個(gè)新的固態(tài)研究平臺(tái)。這一研究成果近日發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。

探索量子世界新現(xiàn)象

2019年，在一年一度的美國(guó)物理學(xué)會(huì)“三月會(huì)議”上，楊鍇遇到了好友、芬蘭阿爾托大學(xué)教授Jose Lado。他們討論了一個(gè)前沿科學(xué)問(wèn)題——能否在固體表面對(duì)量子多體拓?fù)湮飸B(tài)進(jìn)行原子尺度的量子模擬。

這個(gè)問(wèn)題的背后，暗藏著量子世界新奇的物理現(xiàn)象。

量子材料因具有豐富的新奇物性，在未來(lái)的無(wú)耗散電子器件和量子信息處理領(lǐng)域具有巨大潛力。因此，深入理解量子材料中的拓?fù)湮飸B(tài)等量子效應(yīng)，已成為凝聚態(tài)物理和量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一。

然而，由于計(jì)算復(fù)雜度大幅增加，經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以模擬復(fù)雜的量子現(xiàn)象。1982年，為了克服這一困難，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼提出，可以通過(guò)構(gòu)建可控的人工量子系統(tǒng)進(jìn)行量子模擬。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，人工量子系統(tǒng)已經(jīng)具備了可定制結(jié)構(gòu)和可調(diào)參數(shù)等優(yōu)異性能。只是目前的量子模擬研究主要集中在無(wú)相互作用的拓?fù)湮飸B(tài)上，對(duì)于具有相互作用的多體拓?fù)湮飸B(tài)，量子模擬仍面臨很大困難。

對(duì)于這一難題，楊鍇掌握了新技術(shù)，Jose Lado可以提供理論支持，他們隨即決定開(kāi)展合作研究。

化身原子世界“搬運(yùn)工”

量子磁體，是通過(guò)自旋相互作用表現(xiàn)出獨(dú)特量子現(xiàn)象的材料，而具有拓?fù)湫再|(zhì)的量子磁體通常有特殊的幾何結(jié)構(gòu)。理論研究已預(yù)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?fù)淠Ｊ剑芯咳藛T以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了量子模擬。

簡(jiǎn)單來(lái)看，該模型的圖像為自旋鏈的兩端是未配對(duì)原子，中間則為兩兩配對(duì)的原子。研究人員需要通過(guò)一個(gè)原子級(jí)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(duì)的圖案。

然而，精確控制并不簡(jiǎn)單，因?yàn)樵硬⒉弧奥?tīng)話”，稍不留神，它們便會(huì)朝任意方向、位置跑去。“搬運(yùn)”原子的過(guò)程也并非走直線，需要繞過(guò)原子缺陷、雜質(zhì)原子如鐵原子等障礙。

“結(jié)構(gòu)構(gòu)造的每一步都必須精確指定，原子距離近了就會(huì)融在一起，遠(yuǎn)了相互作用又不夠。”王浩說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)成員24小時(shí)輪班守在電腦前，不停地“搬運(yùn)”原子，困了就出去喝一杯咖啡，回來(lái)繼續(xù)操作。

一個(gè)新奇的物理現(xiàn)象可能就藏在無(wú)數(shù)次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和觀察中。經(jīng)過(guò)幾十次嘗試后，2023年9月13日晚上，“奇跡”出現(xiàn)了。他們成功用“原子積木”搭建具有拓?fù)湫再|(zhì)的量子磁體，并展示了一種新的物質(zhì)狀態(tài)——高階拓?fù)淞孔哟朋w。

楊鍇介紹，拓?fù)淞孔哟朋w中的激發(fā)與傳統(tǒng)磁體截然不同，表現(xiàn)出在傳統(tǒng)材料中無(wú)法觀察到的奇異物理現(xiàn)象，例如受到“保護(hù)”的拓?fù)溥吔鐟B(tài)。相關(guān)研究將有助于人們探索和理解量子世界的各種新奇物態(tài)，為未來(lái)量子器件的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

量子研究新“利器”

作為固態(tài)量子模擬領(lǐng)域的熱門研究方向，原子尺度下多體拓?fù)湮飸B(tài)的量子模擬問(wèn)題正在成為全球科學(xué)家積極攻關(guān)的課題。為什么中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)能夠率先交出一份答卷？

一位審稿人的評(píng)價(jià)給出了答案。他說(shuō)：“我認(rèn)為這項(xiàng)工作是ESR-STM技術(shù)對(duì)原子尺度科學(xué)進(jìn)行探索的一個(gè)有趣成果，顯示了ESR-STM技術(shù)在未來(lái)探索人工自旋晶格，實(shí)現(xiàn)量子自旋液體相和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tuán)隊(duì)獲得重要進(jìn)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(shù)和電子自旋共振技術(shù)的融合。科學(xué)家可以通過(guò)一個(gè)極細(xì)的針尖在材料樣品表面進(jìn)行掃描，從而繪制出材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)圖。同時(shí)，還可以在原子尺度上測(cè)量自旋共振特性。

其中，被譽(yù)為能“看得見(jiàn)原子”的掃描隧道顯微鏡是研究量子科學(xué)的重要科學(xué)儀器，于1982年在IBM誕生。多年來(lái)，掃描隧道顯微鏡不斷與其他技術(shù)融合，在科學(xué)研究中發(fā)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。其間，他深度參與了ESR-STM的開(kāi)創(chuàng)與發(fā)展，并取得了一系列重要研究進(jìn)展。

楊鍇介紹，作為一種具有發(fā)展前景的量子模擬技術(shù)，ESR-STM具有原子分辨的成像能力以及幾十個(gè)納電子伏的超高能量分辨率，可以在單個(gè)原子尺度對(duì)微弱的自旋信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與操控。

然而，這一先進(jìn)科學(xué)儀器和技術(shù)的發(fā)展在國(guó)內(nèi)仍處于較弱階段。2021年，楊鍇回國(guó)加入物理所，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了儀器搭建的艱難探索之路。他們從實(shí)驗(yàn)室選址開(kāi)始，在條件有限的情況下，為了減少噪聲干擾、確保最佳實(shí)驗(yàn)條件，將ESR-STM安排在一個(gè)單獨(dú)的房間。團(tuán)隊(duì)成員則在隔壁較小的空間里“操控”。

之后，從減震平臺(tái)的搭建，到儀器線路的設(shè)計(jì)和控制軟件的編寫，團(tuán)隊(duì)一步步攻關(guān)。歷時(shí)多年，他們終于成功搭建起ESR-STM，其性能和指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

勝利帶來(lái)的喜悅是短暫的，但前進(jìn)的動(dòng)力是長(zhǎng)久的。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索量子結(jié)構(gòu)中的拓?fù)湮飸B(tài)等量子效應(yīng)，為量子科技領(lǐng)域的發(fā)展筑牢根基。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01775-2

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-09-05?第1版?要聞）