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物理学家在神秘的赝能隙相中揭示隐藏的磁有序
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物理学家在神秘的赝能隙相中揭示隐藏的磁有序 **物理学家在神秘的赝能隙相中揭示隐藏的磁有序** 物理学家发现了磁性与一种被称为**赝能隙（pseudogap）**的神秘物质相之间的联系。赝能隙出现在某些量子材料中，位于其转变为超导体的临界温度之上不远处。这一发现有望帮助研究人员设计具有理想性能的新材料，例如**高温超导体**，在其中电流可以无电阻地流动。 研究人员利用一台被冷却到接近绝对零度的量子模拟器，发现当系统降温时，电子（其自旋可以向上或向下）影响邻近电子自旋的方式呈现出一种**普适规律**。 这些成果是理解**非常规超导性**的重要一步，来自德国马克斯·普朗克量子光学研究所的实验物理学家与理论物理学家的合作，其中包括纽约西蒙斯基金会 Flatiron 研究所计算量子物理中心（CCQ）主任 Antoine Georges。 这一国际研究团队已将成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。 超导性推动了数十年的研究，并有望彻底改变从远距离电力输送到量子计算等诸多领域。然而，超导性的机理至今仍未被完全理解。在许多高温超导体中，超导转变并非直接从常规金属态中产生。 Publication details Chalopin, Thomas et al, Observation of emergent scaling of spin–charge correlations at the onset of the pseudogap, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2525539123 Journal information: Science , Proceedings of the National Academy of Sciences 相反，材料首先进入一种奇特的中间状态，即赝能隙相。在这一阶段，电子开始表现出反常行为，可供电子在材料中流动的能态数量减少。普遍认为，理解赝能隙是揭示超导机理并设计性能更优材料的关键。 在电子数目未被改变的材料中，电子会排列成一种有序、交替的磁结构，称为**反铁磁性**。在这种结构中，相邻电子的自旋指向相反方向——就像舞者严格遵循左右交替的节奏。 然而，当通过一种称为**掺杂**的过程移除部分电子时，这种磁有序会受到严重破坏。长期以来，研究人员认为掺杂会彻底摧毁长程磁有序。但这项发表于 PNAS 的新研究表明，在极低温下，一种微妙的有序形式仍然存在，只是隐藏在表面无序之下。 这些实验受到了 CCQ 团队关于赝能隙的理论研究启发，该理论工作已于 2024 年发表在《Science》上。 （示意图：赝能隙。图片来源：Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation） --- ### 从混沌到普适有序 实验团队采用了**费米–哈伯德模型**，这是描述固体中电子相互作用的经典理论框架。研究人员并未直接使用真实材料，而是利用被冷却到高于绝对零度十亿分之一度的锂原子来重建该模型。这些原子被排列在由激光形成、可精确控制的**光学晶格**中。 这种超冷原子量子模拟器使科学家能够在高度可控的条件下模拟复杂材料，这是传统固态实验难以实现的。 借助**量子气体显微镜**——一种能够成像单个原子及其磁取向的装置——研究团队拍摄了超过 35,000 张高分辨率图像。这些图像揭示了在不同温度和掺杂水平下，原子的空间位置及其磁关联。 “令人惊叹的是，基于超冷原子的量子类比模拟器如今已能冷却到如此低的温度，从而显现出精细而复杂的量子集体现象，”Georges 表示。 研究结果十分引人注目。马克斯·普朗克量子光学研究所的第一作者 Thomas Chalopin 解释说：“当磁关联随某一特定温度尺度绘制时，它们遵循同一个普适规律。而这一温度尺度与赝能隙出现的温度相当。”换言之，赝能隙与隐藏在表面混沌之下的微妙磁结构密切相关。 研究还发现，在这一状态下，电子并非仅以成对方式相互作用，而是形成复杂的**多粒子关联结构**。即便是单个掺杂原子，也能在相当大的范围内扰乱磁有序。 与以往只研究两电子关联的工作不同，这项研究测量了多达**五个粒子**同时参与的关联——这种精细程度目前全球只有少数实验室能够实现。 --- ### 揭示隐藏的关联 对于理论物理学家而言，这些结果为赝能隙模型提供了新的基准。从更广泛的角度看，这些发现使科学家更接近理解高温超导性如何从相互作用、如同“共舞”的电子的集体行为中涌现。 “通过揭示赝能隙中的隐藏磁有序，我们正在揭开一种最终可能与超导性相关的机制，”Chalopin 解释道。 这项研究也凸显了实验与理论协作的力量。通过将精细的理论预测与高度可控的量子模拟相结合，研究人员得以识别出原本难以察觉的规律。 该研究源自一项汇聚实验与理论专长的国际合作。未来的实验将进一步降低系统温度，寻找新的有序形式，并开发全新的方法，从新的视角观测量子物质。 “量子类比模拟正进入一个令人振奋的新阶段，它正在挑战我们在 CCQ 开发的经典算法，”Georges 说。 “与此同时，这些实验也需要理论与经典模拟的指导。理论学家与实验学家之间的合作，比以往任何时候都更加重要。” |
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