中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)費(fèi)米子哈伯德模型量子模擬器

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢(mèng)宇）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人成功構(gòu)建了求解費(fèi)米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力首次驗(yàn)證了該體系中的反鐵磁相變，朝向獲得費(fèi)米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導(dǎo)機(jī)理中的作用邁出了重要的第一步。相關(guān)研究成果于7月10日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

由于其科學(xué)價(jià)值和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益，以高溫超導(dǎo)為代表的強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子材料被認(rèn)為將極大地推動(dòng)未來(lái)科技的發(fā)展。然而，這些新型量子材料背后的物理機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)有效可控的規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用。費(fèi)米子哈伯德模型是晶格中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的最簡(jiǎn)化模型，被認(rèn)為是可能描述高溫超導(dǎo)材料的代表性模型之一，但其研究一直面臨著巨大挑戰(zhàn)：一方面，該模型在二維和三維下沒(méi)有嚴(yán)格解析解；另一方面，計(jì)算復(fù)雜度非常高，即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法進(jìn)行有效的數(shù)值模擬。

為了解決相應(yīng)難題，研究團(tuán)隊(duì)在前期實(shí)現(xiàn)盒型光勢(shì)阱中的均勻費(fèi)米超流的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了盒型光勢(shì)阱的強(qiáng)度噪聲，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了最低溫度的均勻費(fèi)米簡(jiǎn)并氣體制備，滿足了實(shí)現(xiàn)反鐵磁相變所需要的低溫。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將盒型光勢(shì)阱和平頂光晶格技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空間均勻的費(fèi)米子哈伯德體系的絕熱制備。該體系包含大約80萬(wàn)個(gè)格點(diǎn)，比目前主流實(shí)驗(yàn)的幾十個(gè)格點(diǎn)規(guī)模提高了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，且體系具有一致的哈密頓量參數(shù)，溫度顯著低于奈爾溫度。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精確調(diào)控相互作用強(qiáng)度、溫度和摻雜濃度，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)——自旋結(jié)構(gòu)因子在相變點(diǎn)附近呈現(xiàn)冪律的臨界發(fā)散現(xiàn)象，從而首次驗(yàn)證了費(fèi)米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。