这张图片描绘了超冷原子量子模拟器。红色和蓝色的球分别代表具有上旋和下旋的费米子原子，它们在三维空间中以交错的模式排列，形成反铁磁晶体。玻璃池为超冷原子提供超高真空环境。图片来源：陈磊

在发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个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反铁磁相变。

这项研究突出了量子模拟的优势。这标志着获得FHM的低温相图和理解量子磁性在高温超导机制中的作用迈出了重要的第一步。该团队由中国科学院中国科学技术大学潘建伟教授、陈宇教授和姚兴灿教授领导。

高温超导体等强相关量子材料具有重要的科学意义，并具有潜在的经济效益。然而，这些材料背后的物理机制仍不清楚，这给它们的大规模制备和应用带来了挑战。

FHM是晶格中电子行为的简化表示，它捕获了与强相关性相关的广泛物理学，类似于在量子材料中观察到的物理特性，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上没有精确的解析解，并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，即使是通用的数字量子计算机也难以准确求解该模型。

人们普遍认为，在光学晶格中采用超冷费米子原子的量子模拟可以成为绘制FHM低温相图的关键。为此，实现反铁磁相变和达到FHM半充填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能力：为均匀的哈伯德参数建立一个大规模的、空间均匀的光学晶格，以及将系统温度保持在明显低于Néel温度（反铁磁相变温度）的水平，这两者对于探索量子磁涨落在高温超导机制中的作用都是必不可少的。

然而，标准高斯轮廓晶格激光器引入的费米子原子冷却困难和不均匀性阻碍了以往量子模拟实验中反铁磁相变的实现。为了应对这些挑战，该团队基于他们早期在箱形势中制备和研究均匀强相互作用费米气体的成果，通过将箱形陷阱中低温均相费米气体的产生与具有均匀位点势的平顶光学晶格的演示相结合，开发了一种先进的量子模拟器。

这个量子模拟器包含大约800,000个晶格位点，比目前几十个位点的实验大约四个数量级，并且具有均匀的哈密顿参数，温度明显低于Néel温度。

利用这种设置，该团队精确地调整了相互作用强度、温度和掺杂浓度，以接近各自的临界值，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，海森堡普适性的临界指数为1.396。

本工作推进了对量子磁学的理解，为进一步求解FHM和获得其低温相图奠定了基础。值得注意的是，偏离半填充条件的实验结果已经超过了当前经典计算的能力，证明了量子模拟在解决关键科学问题方面的优势。

更多信息：Jian-Wei Pan，三维费米子哈伯德模型中的反铁磁相变，《自然》（2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07689-2.www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2

期刊信息： Science ， Nature