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    我国学者在“原子乐高”量子模拟领域取得新突破

    日期 2022-09-23   来源:信息科学部   作者:唐华 缪峰 吕俊鹏  【 】   【打印】   【关闭

    图 强水平磁场下的量子赝临界性。(a)不同电场下的电阻随温度变化曲线,虚线方框内电阻不随温度变化;(b)12特斯拉水平磁场下dR/dT随电场和温度变化的mapping图;(c)选取温度在5.6K之上以及全温度范围时,成功和失败的量子临界标度行为;(d)量子模拟器内禀自由度从SU(4)到SU(2)的连续演化

      在国家自然科学基金项目(批准号:62034004、62122036)等资助下,南京大学缪峰教授和合作者通过“原子乐高”的方式,首次观测到钉扎在莫尔超晶格上的一种特殊的电子晶体态。相关研究成果以“Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator(同位旋扩展哈伯德模型模拟器中的可调量子临界性)”为题,于2022年9月14日在线发表在《自然》(Nature)期刊上。论文链接:www.nature.com/articles/s41586-022-05106-0。

      强关联体系中的巨大电子库伦相互作用能够诱导产生丰富奇异的量子多体物态,包括非常规超导、莫特绝缘体、维格纳晶体态、非费米液体、量子自旋液体等。对这些关联物态的探索和深入理解,是过去几十年推动凝聚态物理领域发展的重要推力之一。其中,在关联诱导的量子相变附近,多种能量尺度可比拟,并且量子涨落显著,为发现新物态和新物理提供了理想平台。特别是当体系涉及多个物理自由度时,不同序参量的量子涨落竞争加剧,可能导致超越朗道相变范式的新型量子临界相和临界行为。

      为了抓住关联作用中的核心物理,物理学家们从多体体系中抽象出若干模型,其中最著名的就是哈伯德模型(Hubbard model)以及考虑长程库伦作用时的扩展哈伯德模型(extended Hubbard model)。虽然这些模型已经是对实际物理系统的简化,但是在理论上求解这些强关联模型仍然存在巨大的挑战。尤其是当具有多自由度的强关联电子体系处于量子临界区域附近时,巨大的序参量量子涨落和多种可比拟的能量尺度,使得问题难以求解。近年来,各类量子模拟器的兴起,为解决这类问题提供了新的实验手段和平台。特别是,如果能够在单一体系中通过原位调控参量的方式,实现不同类型的量子相变和量子临界行为,并研究它们之间的可控演化,将为强关联物理领域的发展提供前所未有的机会。

      面对上述机遇与挑战,南京大学缪峰教授合作团队通过“原子乐高”的方式,搭建了基于转角石墨烯莫尔超晶格体系的SU(4)同位旋-扩展哈伯德模型量子模拟器,首次观测到钉扎在莫尔超晶格上的一种特殊的电子晶体态:广义同位旋维格纳晶体(generalized isospin Wigner crystal)。在实验中,研究团队通过垂直电场对电子关联强度的原位调节作用,实现了该电子晶体的量子融化,并首次观测到“量子两步临界性”(quantum two-stage criticality)。基于该体系中解耦的能谷自由度和自旋自由度,研究团队进一步通过对水平磁场的原位调节,实现了该扩展哈伯德模型量子模拟器的内禀自由度从SU(4)到SU(2)的连续演化,并在高磁场下首次观测到“量子赝临界性”(quantum pseudo criticality)(图)。

      该“原子乐高”量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子相变到低对称SU(2)电子系统中弱一阶量子相变的原位演化,不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能,也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步。