在费米子哈伯德量子模拟器中观察到反铁磁相变
这幅图展示了超冷原子量子模拟器。红球和蓝球分别代表自旋向上和向下的费米子原子，它们在三维空间中以交错的方式排列，形成反铁磁晶体。玻璃腔为超冷原子提供超高真空环境。
在《自然》杂志在线发表的一项研究中，中国科学院中国科学技术大学潘建伟教授、陈宇傲教授和姚星灿教授领导的研究小组首次在费米子哈伯德模型(FHM)的大规模量子模拟器中观察到了反铁磁相变。这项研究凸显了量子模拟的优势。这标志着在获得FHM的低温相图和理解量子磁性在高温超导机制中的作用方面迈出了重要的第一步。
强关联量子材料(例如高温超导体)具有重要的科学意义和潜在的经济效益。然而，这些材料背后的物理机制仍不清楚，对其大规模制备和应用构成挑战。FHM 是晶格中电子行为的简化表示，它捕捉了与强关联相关的广泛物理现象，类似于在量子材料中观察到的现象，因此被认为可能为理解高温超导机制提供解决方案。
FHM 的研究面临挑战。该模型在二维和三维空间中没有精确的解析解，而且由于计算复杂度高，即使是最先进的数值方法也只能探索有限的参数空间。此外，理论研究表明，即使是通用数字量子计算机也难以准确求解该模型。
人们普遍认为，利用光学晶格中的超冷费米子原子进行量子模拟可能是绘制 FHM 低温相图的关键。为此，实现反铁磁相变并在半填充时达到 FHM 的基态是最重要的步骤。这一成就将验证量子模拟器的两个关键功能：建立大规模、空间均匀的光学晶格以实现均匀的哈伯德参数，并将系统温度保持在远低于尼尔温度(反铁磁相变温度)的水平，这两者对于探索量子磁涨落对高温超导机制的作用至关重要。
然而，由于费米子原子难以冷却以及标准高斯分布晶格激光器引入的不均匀性，在以往的量子模拟实验中反铁磁相变的实现受到阻碍。针对这些挑战，该团队在前期制备和研究盒势中均质强相互作用费米气体的成果(Science、Nature)的基础上，将盒势中低温均质费米气体的生成与均匀位势平顶光晶格的演示相结合，开发了一种先进的量子模拟器。
该量子模拟器包含约80万个晶格点，比目前只有几十个点的实验大了约四个数量级，哈密顿参数均匀，温度远低于尼尔温度。利用该装置，研究团队精确调整相互作用强度、温度和掺杂浓度，使其接近各自的临界值，并直接观察到反铁磁相变的确凿证据，即自旋结构因子的幂律发散，其临界指数为1.396，来自海森堡普适性。
该工作推进了人们对量子磁性的认识，为进一步解决FHM并得到其低温相图奠定了基础。值得注意的是，偏离半满条件的实验结果已经超越了目前经典计算的能力，展现了量子模拟在解决关键科学问题方面的优势。
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