编辑推荐：
哈佛大学团队通过动态调控光学晶格参数，将费米子量子模拟器的温度降至T/t=0.05+0.06 ，首次在约340个格点的二维Hubbard模型中观测到接近饱和的长程反铁磁序。该研究解决了冷原子系统温度过高难以模拟铜氧化物高温超导机制的难题，为研究赝能隙、条纹相等量子材料现象提供了新平台，相关成果发表在《Nature》期刊。
在量子材料研究领域，二维Hubbard模型作为描述强关联电子体系的核心理论框架，数十年来一直是理解高温超导、赝能隙等奇异量子现象的关键。然而这个看似简单的模型却因其巨大的计算复杂度成为"数值计算的噩梦"——即便是最先进的超级计算机也难以精确求解其低温行为。与此同时，基于超冷原子的量子模拟器虽然能原生实现Hubbard哈密顿量，但始终受限于温度过高（相当于铜氧化物中700K以上），无法触及真实材料中室温以下的物理现象。这种"看得见摸不着"的困境严重制约着对高温超导机制的探索。
哈佛大学研究团队在《Nature》发表的研究中，通过革命性的冷却技术将量子模拟温度降低数倍，首次在超冷原子系统中实现了与铜氧化物145K相当的低温区域。研究人员创新性地将低熵带绝缘体(BI)作为"量子冰箱"，通过动态调控光学晶格几何结构和Hubbard参数（隧穿振幅t、在位相互作用U），将其绝热转化为目标强关联态。关键技术包括：数字微镜器件(DMD)精确势场调控、可调谐光学晶格实现格点倍增、非互易衰减器消除子晶格偏移，以及通过量子蒙特卡洛(QMC)进行温度标定。
【冷却机制突破】研究团队设计了三步冷却协议：首先在长间距晶格中制备双原子占据的带绝缘体(BI)，其中心区域单粒子占据率仅0.7(2)%，对应每个粒子熵s=0.025(4)kB
；随后通过"晶格分裂"技术将每个格点动态拆分为二，在保持总原子数不变情况下将填充数从2降至1；最后优化DMD势阱形状实现可控原子输运。在U/t≈8的中等相互作用区，系统展现出跨越5个晶格间距的长程反铁磁关联。
【精确温度标定】通过对比实验测量的自旋关联函数Cd
zz
与行列式量子蒙特卡洛(DQMC)、辅助场量子蒙特卡洛(AFQMC)的精确模拟结果，研究团队确定半填充时的温度低至T/t=0.05+0.06
。交错磁化强度(mz
)2
在dmax
=6截断时达到理论饱和值的90%以上，准动量(π,π)处的自旋结构因子S(q)呈现尖锐峰，均证实系统进入深度低温区域。
【掺杂体系拓展】更突破性的是，团队通过浅晶格膨胀技术首次在δ=2%-21%掺杂范围内实现T/t≤0.1的低温量子态。与约束路径辅助场量子蒙特卡洛(CP-AFQMC)模拟对比显示，最近邻自旋关联C1
zz
与T/t∈[0,0.1]的理论预测完全吻合。尽管长程关联存在计算偏差，但实验观测到的反铁磁关联范围仍显著超过现有数值模拟预期。
【技术机理创新】研究揭示了绝热性优化的关键：在U/t≈1.5的临界点（对应晶格深度η≈0.6），体系出现输运动力学急剧减慢现象。通过将膨胀步骤置于浅晶格（η=0.2）中，使所需绝热时间从35h/t（20ms）缩短至1ms，避免了强关联区间的耗散加热。非互易衰减器的引入则解决了相位稳定与晶格深度调控的矛盾，将X晶格强度降至3.2(3)×10-5
ER
而不破坏干涉稳定性。
这项研究标志着量子模拟器正式进入铜氧化物相图的核心区域，为解析高温超导机理提供了不可替代的量子实验平台。通过建立冷原子系统（能量尺度~nK）与真实材料（能量尺度~100meV）的温度对应关系，使得在J≈125meV的钇钡铜氧体系中，T/t=0.05相当于145K的低温——这正是赝能隙、条纹相等神秘量子现象活跃的温度窗口。更深远的意义在于，该工作开创了量子模拟器与数值方法协同研究的新范式：当经典计算在掺杂Hubbard模型面前束手无策时，量子实验数据能为发展新的约束路径算法提供基准检验。正如文中所言，这种"量子-经典协同"模式或将最终解开高温超导这个凝聚态物理的"圣杯"之谜。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
