特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。為了深入了解相互作用的低維系統并利用由此產生的脆弱的多體物質狀態，已經開發出新型可調諧量子模擬器，以實現自下而上的多體哈密頓量設計。但它通常依賴于使用支撐塊狀金屬基板，由于基板的體電子帶影響，在設計具有定制對稱性的原子和分子軌道以及調整相互電子相互作用方面是一個明顯的缺點。因此，開發使用弱導電或絕緣表面的平臺至關重要。有鑒于此，荷蘭Radboud大學A. A. Khajetoorians等人展示了一個模擬分子軌道的固態量子模擬器，它完全基于將單個銫原子定位在銻化銦表面上。使用掃描隧道顯微鏡和光譜學，結合從頭計算，表明人造原子可以由圖案化的銫環產生的局部狀態制成。這些人造原子作為構建塊來實現具有不同軌道對稱性的人造分子結構。這些相應的分子軌道能夠模擬二維結構，讓人聯想到眾所周知的有機分子。該平臺可進一步用于以亞分子精度監測原子結構與由此產生的分子軌道景觀之間的相互作用。利用單個Cs原子的離子性質并將它們圖案化為環狀結構，以創建一個勢能圖，在二維中模擬原子的1/r勢能。體帶隙內的束縛態可以通過STS可視化，這種束縛態不僅位于環內結構，也在結構外對稱離域。可以將這種束縛態識別為源于圓勢的類似s的原子態，它可以在距結構足夠大的距離處觀察到。作者將這種結構定義為人造原子。從理論上和通過比較不同的人工Cs結構表明，人造原子還包含具有px和py對稱性的軌道，人造原子的介觀描述很可能涉及多體效應。
圖1 由Cs原子在InSb(110)上形成人造原子和耦合人造原子的鍵合/反鍵合軌道要定制類似于分子軌道的哈密頓量，首先必須證明這些人造原子可以耦合。作者相應地創建了由d≈11 nm分隔的兩個人造原子的二聚體。軌道圖證實，這些能級可以被識別為鍵合(s)和反鍵合(s*)軌道，這是由兩個人造原子s軌道之間的耦合產生的，這種行為對于不同的間距d持續存在。
在模擬分子軌道之前，有必要確認人工原子態的耦合也會導致具有明顯對稱性的軌道。因此，制造了一個由六個人造原子組成的線性分子鏈，確定了更多由更小能量分隔的狀態。為了揭示這些狀態的性質，獲得了軌道圖。最低的六個狀態類似于從人造原子s軌道的疊加派生的一系列s分子軌道。此外，發現了源自LCAO類人工疊加原子py軌道，導致人工分子p軌道具有沿鏈軸的節點平面，并增加鏈上方和下方的局部狀態密度 (LDOS)。
作為模擬分子軌道的最后一步，有必要證明人造原子軌道可以雜交。創建了一個六重對稱的人造原子六邊形，使用六Cs結構以允許更快地組裝包含許多人造原子的人造結構。軌道圖與計算的分子軌道之間的總體定性一致性提供了人造原子s、px和py軌道經歷sp2雜化形成人造分子軌道的證據。作者還構建并比較了構象異構體的2D類似物，隨后展示了受丁二烯各種結構實現啟發的示例，證明了量子模擬器的多功能性和可擴展性。
E. SIERDA, et al. Quantum simulator to emulate lower-dimensional molecular structure. Science, 2023, 380(6649): 1048-1052DOI: 10.1126/science.adf2685https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2685
