烏得勒支、圣塞巴斯蒂安和賓夕法尼亞州的一群物理學(xué)家創(chuàng)造出一種新的人造分子，這種分子內(nèi)部絕緣，但其角落里有電子狀態(tài)。這些狀態(tài)具有零能量，因此，對分子中的缺陷具有彈性，并可能用作量子計(jì)算機(jī)中的量子比特，其研究結(jié)果發(fā)表在《自然材料》上。

烏得勒支大學(xué)(Utrecht University)的克里斯蒂安·莫賴斯·史密斯(Cristiane Morais Smith)教授解釋說：量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展面臨著一些重大挑戰(zhàn)。

其中一個主要問題是量子退相干：信息丟失到環(huán)境中。這使得在量子水平上設(shè)計(jì)電子比在經(jīng)典水平上設(shè)計(jì)電子更加困難，這就是為什么我們創(chuàng)造了對量子退相干有彈性的電子。理論物理學(xué)家桑德·肯普克斯(Sander Kempkes)說：在自然界中可以找到的正常分子往往具有有趣的性質(zhì)，但要找到一個恰好具有你想要性質(zhì)的分子需要很長時間。研究人員只使用一個掃描隧道顯微鏡，一個銅樣品和一束一氧化碳分子，從下到上創(chuàng)造了人造分子，這些分子彼此之間相隔一納米。

研究人員能夠創(chuàng)造出非常穩(wěn)定的角模，這些角模受到分子對稱性的保護(hù)。就像你不能去除甜甜圈中的孔一樣，除非您切割它，否則不能在不對系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害的情況下更改這些角模式。由于在納米尺度上創(chuàng)建分子的極其精確和受控的方法，研究人員能夠驗(yàn)證這些零模對位于分子角落缺陷的恢復(fù)能力。雖然這些模式還沒有準(zhǔn)備好用作量子比特，但這是在人工系統(tǒng)中創(chuàng)建它們的方向上邁出重要一步。

研究人員受到了所謂的戈美圖案的啟發(fā)，這是一種源自日本由三角形和六邊形組成的瓷磚圖案。有一些真實(shí)的材料具有這種特殊形狀，但并不完全是研究人員所尋求的方式。這就是為什么理論物理學(xué)家在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)了一種新的Kagome分子，之后Ingmar Swart和Daniel Vanmaekelbergh實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了該分子。在此之前，使用相同的技術(shù)來制造與超材料和量子分形相關(guān)的電子晶格。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Marlou slot說：操縱一氧化碳分子可以被認(rèn)為是在納米級的國際象棋棋盤上滑動女王，用針而不是手指。整個過程就像創(chuàng)建一個倒置的松餅罐頭，為周圍漂浮的電子提供所需的幾何形狀?！八娠灩蕖逼仁闺娮有纬梢粋€特定的形狀，盡管烘焙的類比不應(yīng)該太從字面上理解，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)發(fā)生在零下269攝氏度。量子模擬器是理解復(fù)雜量子材料的重要工具，到目前為止，基于光學(xué)晶格和光子器件中超冷原子的平臺已經(jīng)引領(lǐng)了該領(lǐng)域，但電子量子模擬器的基礎(chǔ)現(xiàn)在正在開發(fā)中。

在這里，研究人員實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了電子高階拓?fù)浣^緣體(HOTI)，通過使用掃描隧道顯微鏡操縱Cu(111)表面一氧化碳分子來創(chuàng)建呼吸的Kagome晶格，還設(shè)計(jì)了交替的弱鍵和強(qiáng)鍵，以表明拓?fù)錉顟B(tài)出現(xiàn)在非平凡構(gòu)型的角落，但在平凡構(gòu)型中沒有。與傳統(tǒng)的拓?fù)浣^緣體不同，拓?fù)鋺B(tài)比塊體小兩個維度，表示HOTI。角模式受到廣義手征對稱性的保護(hù)，這看導(dǎo)致了對擾動的特殊魯棒性，本研究設(shè)計(jì)人工晶格的通用方法有望揭示物質(zhì)意想不到的量子階段。

博科園｜研究/來自：烏得勒支大學(xué)理學(xué)院

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0483-4

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