又是一个深夜，中国科学院物理研究所（以下简称物理所）C楼的实验室灯火通明。2021级博士生王浩紧盯着电脑屏幕，十分谨慎地操控实验，因为还差两个独立的“原子积木”，一个特殊量子结构的构造就基本完成了。他每次精确移动“原子积木”，电脑屏幕上的图像都会产生微妙变化。第二天上午，最后两个独立的“原子积木”到位——在电脑屏幕上，一张整齐的4×4原子阵列图出现了。他们终于迎来了胜利时刻。
王浩是物理所特聘研究员杨锴团队的一员，也是杨锴的第一位博士生。他们利用自主设计和搭建的特殊显微镜——电子自旋共振扫描隧道显微镜，通过精准操控原子，成功创造出被称为“拓扑量子磁体”的极微小磁结构，在单个原子尺度上进行了量子多体拓扑相的量子模拟。该工作为更深入探索多体拓扑物态提供了一个新的固态研究平台。这一研究成果近日发表于《自然-纳米技术》。
探索量子世界新现象。
2019年，在一年一度的美国物理学会“三月会议”上，杨锴遇到了好友、芬兰阿尔托大学教授Jose Lado。他们讨论了一个前沿科学问题——能否在固体表面对量子多体拓扑物态进行原子尺度的量子模拟。这个问题的背后，暗藏着量子世界新奇的物理现象。量子材料因具有丰富的新奇物性，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。
因此，深入理解量子材料中的拓扑物态等量子效应，已成为凝聚态物理和量子信息科学领域的前沿热点课题之一。
化身原子世界“搬运工”。量子磁体，是通过自旋相互作用表现出独特量子现象的材料，而具有拓扑性质的量子磁体通常有特殊的几何结构。理论研究已预言，“二聚化”的自旋1/2反铁磁海森堡模型具有多体相互作用的拓扑模式，研究人员以此为基础进行了量子模拟。
简单来看，该模型的图像为自旋链的两端是未配对原子，中间则为两两配对的原子。研究人员需要通过一个原子级锋利的金属探针，将极其微小的“原子积木”以非常精确的方式连接在一起，把一堆散乱的原子排列成这种两两配对的图案。
量子研究新“利器”。作为固态量子模拟领域的热门研究方向，原子尺度下多体拓扑物态的量子模拟问题正在成为全球科学家积极攻关的课题。为什么中国科学家团队能够率先交出一份答卷？
一位审稿人的评价给出了答案。他说：“我认为这项工作是ESR-STM技术对原子尺度科学进行探索的一个有趣成果，显示了ESR-STM技术在未来探索人工自旋晶格，实现量子自旋液体相和拓扑结构的潜力。”这里的“ESR-STM”指的就是电子自旋共振扫描隧道显微镜，也是杨锴团队获得重要进展的“利器”。