拓扑物态具有受保护的拓扑边界模式，对局域扰动展现出鲁棒性，在未来的无耗散电子器件和量子信息处理领域具有巨大潜力，是凝聚态物理和量子信息科学领域的前沿热点课题之一。人工量子系统凭借其结构的可定制性和参数的可调性，已成为研究拓扑物态的重要实验平台。然而，迄今为止，基于人工量子系统的拓扑物态研究主要集中在无相互作用的系统，而对具有相互作用的多体拓扑物态的量子模拟仍然面临很大挑战。这一领域的突破将进一步推动我们对关联拓扑物理的理解，并为未来基于拓扑物态的技术革新奠定基础。

2024年8月29日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03组杨锴特聘研究员团队利用自主设计和搭建的电子自旋共振扫描隧道显微镜，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，能量分辨率优于100neV。相关成果以“Construction of topological quantum magnets from atomic spins on surfaces”为题发表在国际学术期刊Nature Nanotechnology上。该工作为多体拓扑态的量子模拟提供了固态研究平台。

电子自旋共振扫描隧道显微镜（Electron Spin Resonance-Scanning Tunneling Microscope, ESR-STM）具有原子分辨的成像能力以及几十个neV的超高能量分辨率，可以在单个原子尺度对自旋系统进行高精度探测与量子相干操控。过去几年，杨锴特聘研究员与合作者利用ESR-STM在单原子尺度开展了系列量子探测和量子模拟的工作。在自旋操控方面，实现了固体表面单原子自旋态的量子相干控制 [Science 366, 509 (2019)]，测量了单个原子的核磁共振谱线 [Nat. Nanotechnol. 13, 1120 (2018)]；在人工自旋晶格的构筑与探测方面，实现了耦合双自旋的探测和操控 [PRL 119, 227206 (2017), PRL 122, 227203 (2019)]，以及自旋共振价键态的构筑 [Nat. Commun. 12, 993 (2021)]。

在这项研究中，杨锴特聘研究员与王浩博士生、范朋副研究员、陈靖博士生等，利用自主设计搭建的极低温矢量磁场ESR-STM系统（图1），以单原子精度构筑了具有多体拓扑物态的人工量子磁体，实现了二聚化的自旋1/2反铁磁海森堡模型的量子模拟（图2和3）。研究团队在氧化镁薄膜表面利用自旋1/2的钛原子构筑了几种自旋晶格，包括二聚化的一维自旋1/2反铁磁海森堡链以及二聚化的二维自旋1/2反铁磁海森堡阵列，实现了一阶和二阶的拓扑量子磁体，并利用ESR-STM在单个原子尺度对自旋晶格的多体拓扑边界态以及多体拓扑角态进行了高精度的探测，能量分辨率优于100 neV，达到国际领先水平。

二聚化的自旋1/2反铁磁海森堡模型可以被视为Su-Schrieffer-Heeger模型的相互作用多体版本。理论预测，该模型具有多体的拓扑模式，并且其拓扑物态可以绝热的连接到自旋1反铁磁海森堡链的Haldane相。对于一个包含偶数个自旋的二聚化自旋1/2反铁磁海森堡链，从自旋链一端开始，每两个自旋可视为一个元胞，当胞内交换相互作用小于胞间时，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。实验中，物理所研究团队通过探针操纵技术，构筑了拓扑和拓扑平庸两种构型的二聚化自旋链（图2）。对于拓扑构型的自旋链，实验发现在自旋链的两端存在近四重简并的拓扑边界态，而对于拓扑平庸的自旋链，其基态则为自旋单态。实验还发现，拓扑边界态相比单个自旋具有更长的量子相干时间，因此表现出了拓扑态的鲁棒性。更进一步，他们还构筑了二维的自旋1/2反铁磁海森堡自旋阵列，并观测到了高阶的拓扑角态（图3）。

图1. 物理所研究团队设计搭建的电子自旋共振扫描隧道显微镜（ESR-STM）

图2. 具有拓扑边界态的二聚化自旋1/2反铁磁海森堡链

图3. 具有拓扑角态的二聚化自旋1/2反铁磁海森堡阵列