乌得勒支、圣塞巴斯蒂安和宾夕法尼亚州的一群物理学家创造出一种新的人造分子，这种分子内部绝缘，但其角落里有电子状态。这些状态具有零能量，因此，对分子中的缺陷具有弹性，并可能用作量子计算机中的量子比特，其研究结果发表在《自然材料》上。乌得勒支大学(Utrecht University)的克里斯蒂安·莫赖斯·史密斯(Cristiane Morais Smith)教授解释说：量子计算机的发展面临着一些重大挑战。
其中一个主要问题是量子退相干：信息丢失到环境中。这使得在量子水平上设计电子比在经典水平上设计电子更加困难，这就是为什么我们创造了对量子退相干有弹性的电子。理论物理学家桑德·肯普克斯(Sander Kempkes)说：在自然界中可以找到的正常分子往往具有有趣的性质，但要找到一个恰好具有你想要性质的分子需要很长时间。研究人员只使用一个扫描隧道显微镜，一个铜样品和一束一氧化碳分子，从下到上创造了人造分子，这些分子彼此之间相隔一纳米。
研究人员能够创造出非常稳定的角模，这些角模受到分子对称性的保护。就像你不能去除甜甜圈中的孔一样，除非您切割它，否则不能在不对系统造成严重损害的情况下更改这些角模式。由于在纳米尺度上创建分子的极其精确和受控的方法，研究人员能够验证这些零模对位于分子角落缺陷的恢复能力。虽然这些模式还没有准备好用作量子比特，但这是在人工系统中创建它们的方向上迈出重要一步。
研究人员受到了所谓的戈美图案的启发，这是一种源自日本由三角形和六边形组成的瓷砖图案。有一些真实的材料具有这种特殊形状，但并不完全是研究人员所寻求的方式。这就是为什么理论物理学家在计算机上设计了一种新的Kagome分子，之后Ingmar Swart和Daniel Vanmaekelbergh实验室的实验物理学家们实验实现了该分子。在此之前，使用相同的技术来制造与超材料和量子分形相关的电子晶格。
实验物理学家Marlou slot说：操纵一氧化碳分子可以被认为是在纳米级的国际象棋棋盘上滑动女王，用针而不是手指。整个过程就像创建一个倒置的松饼罐头，为周围漂浮的电子提供所需的几何形状。“松饼罐”迫使电子形成一个特定的形状，尽管烘焙的类比不应该太从字面上理解，因为实验发生在零下269摄氏度。量子模拟器是理解复杂量子材料的重要工具，到目前为止，基于光学晶格和光子器件中超冷原子的平台已经引领了该领域，但电子量子模拟器的基础现在正在开发中。
在这里，研究人员实验实现了电子高阶拓扑绝缘体(HOTI)，通过使用扫描隧道显微镜操纵Cu(111)表面一氧化碳分子来创建呼吸的Kagome晶格，还设计了交替的弱键和强键，以表明拓扑状态出现在非平凡构型的角落，但在平凡构型中没有。与传统的拓扑绝缘体不同，拓扑态比块体小两个维度，表示HOTI。角模式受到广义手征对称性的保护，这看导致了对扰动的特殊鲁棒性，本研究设计人工晶格的通用方法有望揭示物质意想不到的量子阶段。
博科园｜研究/来自：乌得勒支大学理学院
参考期刊《自然材料》
DOI: 10.1038/s41563-019-0483-4
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