量子物理学中奇异的伪间隙之谜终于解开了

通过巧妙地运用计算技术，科学家们在理解“伪能隙”方面取得了突破，伪能隙是量子物理学中一个长期存在的谜题，与超导性密切相关。这项发现发表在《科学》杂志上，将有助于科学家们探索室温超导性，这是凝聚态物理学的圣杯，它将实现无损电力传输、更快的MRI机器和超高速悬浮列车。

某些包含铜和氧的材料在相对较高(但仍然很冷)的零下140摄氏度以下的温度下表现出超导性(电流无阻力流动)。在更高的温度下，这些材料会进入所谓的伪能隙状态，有时它们表现得像普通金属，有时则更像半导体。

科学家发现，所有所谓的高温超导材料中都存在赝能隙。但他们并不清楚赝能隙为何或如何出现，也不知道当温度降至绝对零度(零下273.15摄氏度，即分子运动停止的无法达到的最低温度下限)时，赝能隙是否仍然存在。

这项研究的共同作者、Flatiron研究所计算量子物理中心主任安托万·乔治(AntoineGeorges)表示，通过更好地了解赝能隙的出现方式以及它与绝对零度超导材料的理论特性的关系，科学家们对这些材料有了更清晰的认识。

“就好像你看到一片风景，周围一片雾蒙蒙，以前你只能看到几座山谷和几座山峰，”他说。“现在雾正在消散，我们可以看到更多的全景。这真是一个令人兴奋的时刻。”

量子物理学家可以用模拟材料中电子行为的计算方法来研究伪隙等状态。但由于量子纠缠，这些计算极其困难，在量子纠缠中，电子会连接在一起，即使分离后也无法单独处理。对于几十个以上的电子，直接计算所有粒子的行为是不可能的。

“计算这些材料的属性极具挑战性——你无法用你能想到的最强大的计算机精确模拟它们，”乔治斯说。“你必须求助于巧妙的算法和简化的模型。”

一个著名的模型被称为哈伯德模型：研究人员将材料视为棋盘，电子可以像车一样在棋盘上相邻的空间之间跳跃。电子可以有向上或向下的自旋。两个电子只有当它们有相反的自旋并付出能量成本时才能在棋盘上共享一个空间。利用这个起源于20世纪60年代的模型，科学家可以部署不同的计算方法，每种方法在不同情况下都有优点和缺点。

“有一类方法在零温度下效果很好，而另一类方法在有限温度下效果很好，”新研究的主要作者费多尔·西姆科维奇四世(FedorŠimkovicIV)表示，他曾与合著者米歇尔·费雷罗(MichelFerrero)在巴黎综合理工学院和法国公立学院担任博士后，现在是德国慕尼黑IQM量子计算机团队的负责人。“这两个世界通常不会互相交流，因为在它们之间，在非常低但有限的温度下，实际上存在着计算上最困难的情况。”

这种中间状态正是伪间隙所在。为了解决这一问题，该团队采用了一种名为图解蒙特卡罗的算法，该算法于1998年首次被描述;该算法于2017年由新论文的合著者RiccardoRossi改进。与量子蒙特卡罗不同，图解蒙特卡罗是一种富有成效且众所周知的算法，它使用随机性一次检查模型的小区域，并将这些检查粘合在一起以得出结论，而量子蒙特卡罗则一次考虑整个棋盘上的相互作用。

解释伪间隙新研究成果的信息图。图片来源：LucyReading-Ikkanda/西蒙斯基金会

“图解蒙特卡罗方法非常不同，”法国国家科学研究院和索邦大学的研究员罗西说。“原则上，我们可以模拟无限数量的粒子。”

借助图解蒙特卡罗方法，研究小组弄清楚了赝能隙材料在冷却至绝对零度时会发生什么。从以前的研究中，他们知道这些材料可能开始超导，或者可能发展出“条纹”，其中电子排列成一排排匹配的自旋，由一排排空心方块隔开。

哈伯德模型在绝对零度时进入哪种状态取决于电子的数量。当模型中包含的电子数量与棋盘格子的数量完全相同时，整个棋盘将变成稳定的上下自旋棋盘图案，使该材料成为电绝缘体(对于超导研究来说，这毫无意义，因为绝缘体与导体相反)。增加或减少电子可能会导致超导性和/或条纹。

在较高的温度下，电子仍然会移动，研究人员知道拿走电子会导致伪能隙，但他们不知道材料冷却后会发生什么。

“人们争论的是伪隙是否总是会演变成条纹状态，”乔治斯说。“我们的论文回答了该领域的这个突出问题，并关闭了这扇窗户。”这项研究表明，当伪隙中的材料冷却到绝对零度时，它们确实会形成条纹。乔治斯补充说，有趣的是，调整哈伯德模型以允许对角移动，就像主教的移动一样，使得伪隙在冷却时演变成超导体。

这篇论文还回答了伪能隙形成的原因，伪能隙中的电子排列不再像绝对零度时那样均匀，而是包括一些条纹区域、一些有两个电子的方块、一些孔洞和一些棋盘格图案。研究人员发现，一旦电子排列中出现这些棋盘格图案，材料就会陷入伪能隙。这两个关于伪能隙的重要答案有助于进一步解开哈伯德模型。

“从更广泛的角度来看，这整个事情是整个科学界共同努力的一部分，旨在结合计算方法来破解这些难题，”乔治斯说。“我们正处于这些问题最终得到澄清的时代。”

这些结果还将使数值计算以外的其他应用受益，包括量子气体模拟，这是量子光学和凝聚态物理交叉领域已有20年历史的领域。在这些实验中，原子被冷却到超低温，然后被激光捕获到类似于哈伯德模型的网格中。随着量子光学的新发展，研究人员现在可以将这些温度降低到几乎形成伪隙的程度，从而将理论与实验统一起来。

“我们的论文与这些超冷量子气体模拟器有直接关系，”乔治斯说。“这些量子模拟器现在即将能够看到这种赝隙现象，所以我期待在未来一两年内会出现一些真正有趣的进展。”