通往超导之路：科学家在理解"伪间隙"方面取得了突破性进展

最近一项利用计算技术进行的研究揭示了对伪隙态的新认识，而伪隙态是量子物理学中与高温超导有关的一个重大挑战。研究人员采用了一种被称为图解蒙特卡洛（diagrammatic Monte Carlo）的复杂算法来模拟超导材料中的电子行为，从而在理解室温下的超导性方面取得了潜在的突破，这将彻底改变电力传输和其他技术。

类似于哈伯德模型的棋盘格上的彩球插图。图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons 基金会

量子物理学的突破：理解伪差距

通过巧妙地应用一种计算技术，科学家们在理解"伪间隙"方面取得了突破性进展。"伪间隙"是量子物理学中一个长期存在的难题，与超导性密切相关。这一发现发表在 9 月 20 日出版的《科学》（Science）杂志上，将有助于科学家们探索室温超导这一凝聚态物理学的圣杯，从而实现无损输电、更快的核磁共振成像仪和超高速悬浮列车。

某些涉及铜和氧的材料在零下140摄氏度以下相对较高但仍然寒冷的温度下显示出超导性（电流流动无阻力）。在较高温度下，这些材料会进入所谓的伪间隙状态，在这种状态下，它们有时像普通金属，有时更像半导体。科学家们发现，所有所谓的高温超导材料中都存在伪间隙。但他们不明白为什么或如何出现这种现象，也不知道当温度下降到绝对零度（零下 273.15 摄氏度）时，这种现象是否会继续存在，而绝对零度是分子运动停止时无法达到的温度下限。

洞察超导和伪隙

该研究的合著者、Flatiron 研究所计算量子物理中心主任安托万-乔治（Antoine Georges）说，通过更好地了解伪间隙是如何出现的，以及它与绝对零度超导材料理论特性的关系，科学家们对这些材料有了更清晰的认识。

他说："这就好比你有一幅风景画，但有很多雾，以前你只能看到几个山谷和几座山峰。现在雾正在消散，我们可以看到更多的全景。这真是一个令人兴奋的时刻。"

信息图表说明了有关伪差距的新研究成果。资料来源：露西-雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会

量子研究中的计算挑战

量子物理学家可以用模拟材料中电子行为的计算方法来研究伪间隙等状态。然而，由于量子纠缠，这些计算非常困难，因为在量子纠缠中，电子会相互连接，即使分离后也无法单独处理。对于几十个以上的电子，直接计算所有粒子的行为是不可能的。

"计算这些材料的特性极具挑战性--即使是你能想到的最强大的计算机也无法精确模拟它们，"乔治斯说。"必须借助巧妙的算法和简化的模型"。

弥合量子模型中的温度差距

一个著名的模型叫做哈伯德模型：研究人员将材料视为一个棋盘，在这个棋盘上，电子可以像车一样在相邻空间之间跳跃。电子可以有向上或向下的自旋。两个电子只有在自旋相反并付出能量代价的情况下，才能共享棋盘上的一个空间。这种模型起源于 20 世纪 60 年代，科学家们可以利用不同的计算方法，每种方法在不同情况下都各有优缺点。

新研究的第一作者费多尔-希姆科维奇四世（Fedor Šimkovic IV）说："有一类方法在零温度下非常有效，还有一类方法在有限温度下非常有效。这两个世界通常互不往来，因为在它们之间，在极低但有限的温度下，实际上存在着计算上最难的机制。"他曾是巴黎综合理工学院和法兰西学院的博士后，与合著者米歇尔-费雷罗（Michel Ferrero）一起工作，现在是德国慕尼黑 IQM 量子计算机公司的团队负责人。

图解蒙特卡洛的进展

这种介于两者之间的状态正是伪间隙存在的地方。为了解决这一问题，研究小组采用了一种名为图解蒙特卡洛的算法，该算法于1998年首次被描述；新论文的共同作者里卡多-罗西（Riccardo Rossi）于2017年对其进行了改进。量子蒙特卡洛是一种富有成果的著名算法，它利用随机性一次检查模型的一小块区域，然后将这些检查结果粘合在一起得出结论，与之不同的是，图解蒙特卡洛一次性考虑了整个棋盘的相互作用。

法国国家科学研究中心和索邦大学的研究员罗西说："图解蒙特卡洛的方法非常不同。原则上可以模拟无限多的粒子"。

量子模拟和超导的未来方向

利用蒙特卡洛图解法，研究小组弄清了伪间隙材料在冷却到绝对零度时会发生什么变化。根据以前的研究，他们知道这些材料可能开始超导，也可能形成"条纹"，其中电子组织成一排排匹配的自旋，被一排排空方格隔开。

哈伯德模型在绝对零度时进入哪种状态取决于电子的数量。当模型中的电子数正好与棋盘上的方格数相同时，整个棋盘就会变成一个上下自旋的稳定棋盘图案，从而使材料成为电绝缘体（这对超导研究来说非常无趣，因为绝缘体与导体正好相反）。增加或减少电子可导致超导和/或条纹。

在较高温度下，电子仍在移动，研究人员知道带走电子会导致伪间隙，但他们不知道材料冷却后会发生什么。

"伪间隙是否总能演化成条纹状态，这个问题一直存在争议，"Georges 说。"我们的论文回答了这一领域的突出问题，并关闭了这扇窗"。研究发现，当伪隙中的材料冷却到绝对零度时，它们确实会形成条纹。有趣的是，调整哈伯德模型以允许对角线移动，就像象移动一样，会使伪间隙在冷却过程中演变成超导体。

对量子气体模拟器的影响

在这种情况下，电子排列不再像绝对零度时那样均匀，而是包括一些条纹状区域、一些有两个电子的正方形、一些空洞和一些棋盘图案的斑块。研究人员发现，一旦电子排列中出现这些棋盘图案，材料就会陷入伪间隙。这两个关于伪间隙的重要答案有助于进一步解开哈伯德模型。

乔治斯说："从更广的层面上讲，这整件事是整个科学界共同努力的一部分，将计算方法结合在一起，破解这些难题。我们生活在这样一个时代，这些问题终于得到了澄清。"

这些成果还将惠及数值计算以外的其他应用，包括量子气体模拟，这是量子光学和凝聚态物理学交叉领域的一个已有 20 年历史的领域。在这些实验中，原子被冷却到超低温，然后被激光捕获到类似于哈伯德模型的网格中。随着量子光学的新发展，研究人员现在可以将温度降低到几乎形成伪间隙的程度，从而将理论与实验结合起来。

"我们的论文对这些超冷量子气体模拟器有直接影响，"乔治斯说。"这些量子模拟器现在即将能够看到这种伪间隙现象，所以我期待未来一两年会有一些非常有趣的发展。"

编译自/ScitechDaily