特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。为了深入了解相互作用的低维系统并利用由此产生的脆弱的多体物质状态，已经开发出新型可调谐量子模拟器，以实现自下而上的多体哈密顿量设计。但它通常依赖于使用支撑块状金属基板，由于基板的体电子带影响，在设计具有定制对称性的原子和分子轨道以及调整相互电子相互作用方面是一个明显的缺点。因此，开发使用弱导电或绝缘表面的平台至关重要。有鉴于此，荷兰Radboud大学A. A. Khajetoorians等人展示了一个模拟分子轨道的固态量子模拟器，它完全基于将单个铯原子定位在锑化铟表面上。使用扫描隧道显微镜和光谱学，结合从头计算，表明人造原子可以由图案化的铯环产生的局部状态制成。这些人造原子作为构建块来实现具有不同轨道对称性的人造分子结构。这些相应的分子轨道能够模拟二维结构，让人联想到众所周知的有机分子。该平台可进一步用于以亚分子精度监测原子结构与由此产生的分子轨道景观之间的相互作用。利用单个Cs原子的离子性质并将它们图案化为环状结构，以创建一个势能图，在二维中模拟原子的1/r势能。体带隙内的束缚态可以通过STS可视化，这种束缚态不仅位于环内结构，也在结构外对称离域。可以将这种束缚态识别为源于圆势的类似s的原子态，它可以在距结构足够大的距离处观察到。作者将这种结构定义为人造原子。从理论上和通过比较不同的人工Cs结构表明，人造原子还包含具有px和py对称性的轨道，人造原子的介观描述很可能涉及多体效应。
图1 由Cs原子在InSb(110)上形成人造原子和耦合人造原子的键合/反键合轨道要定制类似于分子轨道的哈密顿量，首先必须证明这些人造原子可以耦合。作者相应地创建了由d≈11 nm分隔的两个人造原子的二聚体。轨道图证实，这些能级可以被识别为键合(s)和反键合(s*)轨道，这是由两个人造原子s轨道之间的耦合产生的，这种行为对于不同的间距d持续存在。
在模拟分子轨道之前，有必要确认人工原子态的耦合也会导致具有明显对称性的轨道。因此，制造了一个由六个人造原子组成的线性分子链，确定了更多由更小能量分隔的状态。为了揭示这些状态的性质，获得了轨道图。最低的六个状态类似于从人造原子s轨道的叠加派生的一系列s分子轨道。此外，发现了源自LCAO类人工叠加原子py轨道，导致人工分子p轨道具有沿链轴的节点平面，并增加链上方和下方的局部状态密度 (LDOS)。
作为模拟分子轨道的最后一步，有必要证明人造原子轨道可以杂交。创建了一个六重对称的人造原子六边形，使用六Cs结构以允许更快地组装包含许多人造原子的人造结构。轨道图与计算的分子轨道之间的总体定性一致性提供了人造原子s、px和py轨道经历sp2杂化形成人造分子轨道的证据。作者还构建并比较了构象异构体的2D类似物，随后展示了受丁二烯各种结构实现启发的示例，证明了量子模拟器的多功能性和可扩展性。
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
