中国团队首证反铁磁相变：有望推动高温超导研究

2024年7月10日，国际学术期刊《自然》杂志发表了一项令人振奋的中国科研成果。来自中国科学技术大学的潘建伟、陈宇翱、姚星灿和邓友金等科研团队，成功构建了一个求解"费米子哈伯德模型"的超冷原子量子模拟器。首次验证了该体系中的反铁磁相变，向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出重要的第一步。这一成就不仅标志着中国在量子计算研究领域的重大进展，也为高温超导研究带来了新的希望。本期内容我们就来聊聊这个话题。

费米子哈伯德模型是物理学中一个重要的理论模型，用于描述电子在晶格中相互作用的行为。它由物理学家约翰·哈伯德在1963年提出，旨在解释强关联电子系统中的各种复杂现象，如磁性、超导性和相变等。该模型在凝聚态物理学和量子计算领域有着广泛的应用，对于理解高温超导体和其他复杂材料的物理性质具有重要意义。费米子哈伯德模型的核心思想是将电子视为费米子，它们在一个离散的晶格上移动，并且彼此之间存在库仑相互作用。该模型主要由两个参数构成：跃迁能量（t）和相互作用能量（U）。跃迁能量 是指电子在晶格上从一个格点跳跃到相邻格点的能量。它反映了电子的动能，描述了电子在晶格中的移动能力。较大的跃迁能量意味着电子更容易在晶格中移动，从而使得体系更具金属性质。

而相互作用能量是指两个电子占据同一个格点时产生的相互排斥能量。它反映了电子之间的库仑相互作用，描述了电子之间的排斥力。较大的相互作用能量意味着电子更倾向于避免占据同一个格点，从而使得体系更具绝缘性质。费米子哈伯德模型的物理意义在于，它能够捕捉到电子在强关联系统中的竞争效应。具体来说，当相互作用能量很大时，电子之间的相互排斥作用主导，体系趋向于形成绝缘状态，这被称为莫特绝缘体。而当跃迁能量很大时，电子的动能主导，体系趋向于形成导电状态。这种导电状态下，如果电子之间存在某种配对机制，可能会形成超导态。费米子哈伯德模型不仅可以描述简单的金属-绝缘体相变，还可以捕捉到更复杂的相变现象。例如，当温度降低时，费米子哈伯德模型可以出现反铁磁相变，这是由于电子自旋的反平行排列形成的磁有序状态。这种反铁磁相变在高温超导体的研究中具有重要意义，因为高温超导体往往在低温下表现出反铁磁有序。

尽管费米子哈伯德模型看似简单，但由于其包含了强相互作用的量子多体效应，用经典计算机进行精确的数值模拟非常困难。这主要是因为电子数目增加时，状态空间呈指数级增长，使得计算变得极为复杂。正因如此，量子模拟器成为研究费米子哈伯德模型的一种有力工具。中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿和邓友金团队通过构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，取得了突破性进展。量子模拟器是一种利用可控量子系统模拟其他复杂量子系统的装置。与经典计算机不同，量子模拟器能够直接利用量子力学原理，处理涉及大量量子态的复杂问题。因此，它在处理诸如费米子哈伯德模型等强关联系统时，具有显著优势。费米子哈伯德模型描述了电子在晶格中相互作用的行为，其复杂性使得经典计算机在低温条件下模拟该模型面临巨大挑战。

通过量子模拟器，科学家可以直接模拟和观察这些复杂现象，从而获得更加准确和深入的理解。中国科学技术大学团队利用超冷原子技术，成功构建了一台高精度的量子模拟器。超冷原子技术通过激光冷却和磁光阱等方法，将原子冷却到接近绝对零度的温度。在如此低的温度下，原子的热运动几乎停止，使其能够精确地排列在光学晶格中，模拟电子在固体材料中的行为。通过这台量子模拟器，科研团队首次成功验证了费米子哈伯德模型中的反铁磁相变。这一发现具有重要的科学意义，因为反铁磁相变是理解高温超导和其他复杂量子现象的关键。反铁磁相变指的是在低温条件下，电子的自旋呈现出一种规律性的反向排列，从而形成磁有序状态。这种状态在高温超导材料中经常出现，对其形成机制的理解有助于揭示高温超导的本质。通过量子模拟器的实验，研究人员可以精确观察和测量反铁磁相变的条件和特性，为理论研究提供了宝贵的数据支持。

高温超导是凝聚态物理学中的一个重大未解之谜，尽管已经发现了许多高温超导材料，但其形成机理仍不完全清楚。通过验证反铁磁相变，研究人员可以更深入地理解电子之间的相互作用和配对机制，这对于揭示高温超导的本质具有重要意义。此次反铁磁相变的首次验证只是一个开始，随着量子计算和量子模拟技术的不断进步，我们有理由期待更多关于高温超导、拓扑材料和自旋液体等前沿领域的重大突破。这些研究不仅在基础科学方面具有重要意义，还将推动新材料和新技术的应用，为信息技术、能源和医学等领域带来革命性变化。

目前，量子技术已成为国际大国竞争的重要战略领域，各国都在加紧研发这一颠覆性技术，以期在未来的技术竞赛中占据领先地位。面对这一激烈的竞争，中国科学技术大学的潘建伟教授表示：“我希望能够结合国家实验室建设的力量，集中全国的科研资源和智慧，攻克量子计算机这一尖端技术。”潘建伟预测，我国在未来的5至10年内，有望成功研发出几台专用量子计算机，以满足材料设计、化学研究、物理研究等领域的需求。我们有理由相信，中国一定能够在量子技术这一前沿领域取得领先地位，为国家和人类社会的发展作出更大的贡献。对此，你们怎么认为呢？欢迎大家踊跃讨论，感谢大家观看，我是探索宇宙，我们下期再见。