### 多体拓扑物态研究的新进展：人工量子磁体的构建与探测
拓扑物态是凝聚态物理和量子信息科学领域的前沿课题之一，其独特特性使得它们在未来的量子计算和信息技术中成为潜在的重要应用对象。拓扑物态的边界模式通常具有鲁棒性，能够在局域扰动中保持稳定，这一特性使其在研究和应用中具有极大的吸引力。近年来，人工量子系统因其结构可定制性和参数可调性，逐渐成为研究拓扑物态的重要实验平台。然而，基于人工量子系统的多体拓扑物态的量子模拟仍然面临挑战，尤其是在考虑相互作用效应的情况下。
近日，中国科学院物理研究所与北京凝聚态物理国家研究中心Q03组的杨锴研究员团队在这一领域取得了重要进展。他们利用自主设计和搭建的电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM），实现了几种人工拓扑量子磁体的原子级精准构筑，并对其多体拓扑物态进行了高精度探测。相关研究成果以“Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces”为题，发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。这一成果为多体拓扑态的量子模拟提供了全新的固态研究平台。
ESR-STM以其原子分辨率的成像能力和极高的能量分辨率（可低至几十个neV），能够在单个原子尺度上实现对自旋系统的高精度探测与量子相干操控。此前，杨锴团队已通过这一技术开展了一系列的量子探测和量子模拟工作，展现了其潜在的应用前景。
在此项最新研究中，研究团队利用自制的极低温矢量磁场ESR-STM系统，以单原子精度构筑了具有多体拓扑物态的人工量子磁体。他们成功地实现了二聚化自旋1/2反铁磁海森堡模型的量子模拟，构建了几种自旋晶格，包括二聚化的一维自旋1/2反铁磁海森堡链和二聚化的二维自旋1/2反铁磁海森堡阵列，进而实现了一阶和二阶的拓扑量子磁体。
通过ESR-STM的高精度探测，研究团队深入分析了自旋晶格的多体拓扑边界态以及多体拓扑角态。在二聚化的自旋1/2反铁磁海森堡模型中，该模型被视为著名的Su-Schrieffer-Heeger模型的相互作用多体版本。理论预测显示，该模型不仅具有多体拓扑模式，还能将拓扑物态无缝连接到自旋1反铁磁海森堡链的Haldane相。
具体而言，在包含偶数个自旋的二聚化自旋1/2反铁磁海森堡链中，自旋链的两端会出现受时间反演对称性保护的拓扑边界态。研究人员通过探针操纵技术构筑了拓扑和拓扑平庸两种构型的二聚化自旋链，实验结果表明，在拓扑构型的自旋链中，发现了近四重简并的拓扑边界态，而在拓扑平庸的自旋链中，其基态则表现为自旋单态。
更为重要的是，实验还发现，拓扑边界态相比于单个自旋具有更长的量子相干时间，展现出拓扑态的鲁棒性。这一发现为理解和利用拓扑物态提供了新的视角和实验证据。此外，研究团队进一步构筑了二维的自旋1/2反铁磁海森堡自旋阵列，并成功观测到高阶的拓扑角态，进一步丰富了拓扑物态的研究内容。
