中國科大首次實現(xiàn)費米子哈伯德模型量子模擬器

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人成功構建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經(jīng)典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝向獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用邁出了重要的第一步。相關研究成果于7月10日在線發(fā)表在國際學術期刊《自然》雜志上。

由于其科學價值和潛在的巨大經(jīng)濟效益，以高溫超導為代表的強關聯(lián)量子材料被認為將極大地推動未來科技的發(fā)展。然而，這些新型量子材料背后的物理機制尚不明確，難以實現(xiàn)有效可控的規(guī)?；苽浜蛻?。費米子哈伯德模型是晶格中電子運動規(guī)律的最簡化模型，被認為是可能描述高溫超導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有嚴格解析解；另一方面，計算復雜度非常高，即使是超級計算機也無法進行有效的數(shù)值模擬。

為了解決相應難題，研究團隊在前期實現(xiàn)盒型光勢阱中的均勻費米超流的基礎上進一步降低了盒型光勢阱的強度噪聲，并結合機器學習優(yōu)化技術實現(xiàn)了最低溫度的均勻費米簡并氣體制備，滿足了實現(xiàn)反鐵磁相變所需要的低溫。進一步，研究團隊創(chuàng)造性地將盒型光勢阱和平頂光晶格技術相結合，實現(xiàn)了空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱制備。該體系包含大約80萬個格點，比目前主流實驗的幾十個格點規(guī)模提高了約4個數(shù)量級，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。在此基礎上，研究團隊通過精確調(diào)控相互作用強度、溫度和摻雜濃度，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)——自旋結構因子在相變點附近呈現(xiàn)冪律的臨界發(fā)散現(xiàn)象，從而首次驗證了費米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。