人工量子材料内部的工程原子相互作用产生了一种新的量子态：高阶拓扑磁体。图片来源：Jose Lado/阿尔托大学。

当不同的量子态结合时，会出现新的物质集体状态。在量子领域，将具有量子效应的原子等成分组合在一起可以产生物质的宏观量子态，其特点是其他任何地方都不存在的奇异量子激发。

在阿尔托大学和 CAS 物理研究所的合作中，研究人员在氧化镁衬底上用磁性钛逐个原子地构建了一种人造量子材料。然后，他们仔细设计了原子在材料内部的相互作用方式，目的是催生一种新的量子物质状态。

阿尔托大学助理教授 Jose Lado 创建了具有拓扑量子磁性的材料工程设计，由中国科学院物理研究所副教授 Kai Yang 领导的一个小组使用原子操纵和扫描隧道显微镜构建和测量了人造材料。

结果，研究人员首次展示了一种新的量子物质状态，称为高阶拓扑量子磁体。拓扑磁体可能代表了一种在量子技术中实现针对退相干的实质性保护的新方法。

该研究今天发表在《自然纳米技术》上。

除了从基础科学的角度来看很有趣之外，像这种新型量子磁体这样的拓扑量子多体物质可能会对未来的量子技术产生开创性的影响。

“创建多体拓扑量子磁体可以探索物理学中令人兴奋的新方向。拓扑量子磁体中的激发具有与传统磁体截然不同的特性，可以让我们创造出超出当前量子材料能力的新物理现象，“Lado 说。

量子磁体是实现磁态量子叠加的材料，将量子现象从微观尺度带到宏观尺度。这些材料具有奇特的量子激发，包括分数激发，其中电子的行为就像它们被分成许多部分一样，而这些部分在这种材料之外的任何地方都不存在。

为了操纵原子在研究人员组装的量子材料中的行为，他们用一根细针戳每个单独的原子。此技术允许在原子水平上准确探测量子比特。针实际上是一个原子锋利的金属尖端，用于激发原子的局部磁矩，从而产生具有增强相干性的拓扑激发。

“拓扑量子激发，例如我们现在构建的拓扑量子磁体中实现的那些，可以具有强大的退相干保护。最终，这些奇异激发提供的保护可以帮助我们克服当前可用量子比特的一些最紧迫的挑战，“Lado 说。

在他们的实验中，研究人员观察到拓扑激发对扰动具有抵抗力，这一特性在 Lado 的理论设计中也被预测出来。结果还表明，拓扑激发的量子相干性高于它们的原始单个分量。这一发现可能指出了一种方法，可以将研究人员的人工量子材料转变为量子信息的构建块，防止退相干。

更多信息：Hao Wang 等人，从表面上的原子自旋构建拓扑量子磁体，Nature Nanotechnology （2024）。DOI： 10.1038/s41565-024-01775-2

期刊信息： Nature Nanotechnology