量子模拟器用彩色圆点解决物理难题
与乔治·修拉（George Seurat）的点彩画（“La Grande Jatte岛上的星期天下午”，右）类似，在量子点彩画中，复杂的图片是由彩色点（左）创建的。从这些图片中，研究人员可以使用理论计算得出有关量子系统过程的结论。图片来源：左：Prichard 等人，2024 年;右：Keystone-SDA）
通过分析由量子模拟器创建的彩色点组成的图像，ETH研究人员研究了一种特殊的磁性。将来，这种方法也可以用于解决其他物理难题，例如超导性。
近距离看，它看起来像许多彩色圆点，但从远处看，人们看到的是一幅细节丰富的复杂画面：1886年，乔治·修拉（George Seurat）使用点彩画技术创作了杰作“La Grande Jatte岛上的周日下午”。同样，苏黎世联邦理工学院的尤金·德姆勒（Eugene Demler）和他的同事研究了由许多相互作用的粒子组成的复杂量子系统。在他们的例子中，这些点不是通过轻拍画笔来创造的，而是通过在实验室中使单个原子可见而产生的。
与哈佛大学和普林斯顿大学的同事一起，Demler的团队现在已经使用了他们称之为“量子点彩”的新方法，以仔细研究一种特殊的磁性。
研究人员刚刚在《自然》杂志上发表了两篇论文，标题为“在费米-哈伯德量子模拟器中观察长冈极化子”和“在动力学受挫的哈伯德系统中直接成像自旋极化子”。
理解的范式转变
“这些研究代表了我们对这种磁量子现象的理解的范式转变。到目前为止，我们还无法详细研究它们，“Demler说。这一切都始于大约两年前的 ETH。Ataç Imamoğlu小组通过实验研究了具有三角形晶格的特殊材料（由过渡金属硫族化合物制成的摩尔纹材料）。
当Demler和他的博士后Ivan Morera分析Imamoğlu的数据时，他们遇到了一种特殊性，它暗示了一种以前只能从理论上预测的磁性。
在动磁学中，一个额外的电子配对形成一个双子，可以导致其附近的自旋的铁磁有序（右），而缺失的电子或空穴会导致反铁磁有序（左）。图片来源：Morera， I. et al.三角晶格中的高温动磁性。Phys. Rev. Res. 5， L022048 2023）
“在这种动磁性中，在晶格内移动的一些电子可以使材料磁化，”莫雷拉解释道。
在Imamoğlu的实验中，这种效应在专家中被称为Nagaoka机制，可以通过测量磁化率（即材料对外部磁场的反应强度）等方式首次在固体中检测到。
“这种发现是基于非常有力的证据。然而，为了直接证明，人们必须同时测量材料内部多个位置的电子状态 - 它们的位置和自旋方向，“Demler说。
复杂的流程变得清晰可见
然而，在固体中，这用传统方法是不可能的。至多，研究人员可以使用X射线或中子衍射来找出电子的自旋在两个位置如何相互关联，即所谓的自旋相关。复杂的自旋排列与额外或缺失电子之间的相关性不能以这种方式测量。
为了让Demler和Morera使用模型计算出的长冈机制的复杂过程仍然可见，他们求助于哈佛大学和普林斯顿大学的同事。在那里，由Markus Greiner和Waseem Bakr领导的研究团队开发了量子模拟器，可用于精确地再现固体内部的条件。
在这种模拟器中，美国研究人员使用的不是在由原子组成的晶格内移动的电子，而是使用被困在由光束组成的光学晶格内的极冷原子。然而，描述固体内部的电子和光学晶格内部的原子的数学方程几乎是相同的。
费米-哈伯德量子模拟器中的长冈极化子。图片来源：自然（2024 年）。DOI：
10.1038/s41586-024-07272-9
量子系统的彩色快照
使用强放大显微镜，Greiner和Bakr的团队不仅能够分辨单个原子的位置，还能够分辨出它们的自旋方向。他们将从量子系统的这些快照中获得的信息转化为彩色图形，可以与理论上的点画图片进行比较。
例如，Demler和他的同事们在理论上计算了长冈机制中的单个额外电子如何与另一个相反自旋的电子形成一对，然后作为双倍子穿过材料的三角形晶格。
根据Demler和Morera的预测，双倍应该被一团电子包围，其自旋方向是平行的或铁磁性的。这种云也被称为磁极化子。
这正是美国研究人员在他们的实验中看到的。此外，如果量子模拟器的晶格中缺少一个原子——这对应于真实晶体中缺失的电子或“空穴”——那么围绕该空穴形成的云由成对的原子组成，这些原子的自旋指向相反的方向，正如Demler和Morera所预测的那样。
这种反铁磁顺序（或者更准确地说：反铁磁相关性）以前也在美国康奈尔大学的一项固态实验中被间接检测到。在量子模拟器中，它现在变得直接可见。
“我们第一次在'真实'固体和量子模拟器上使用实验解决了物理难题。我们的理论工作是将所有东西结合在一起的粘合剂，“Demler说。他相信，在未来，他的方法也将用于解决其他棘手的问题。
例如，导致磁极化子云形成的机制也可能在高温超导体中发挥重要作用。
更多信息：Martin Lebrat 等人，在费米-哈伯德量子模拟器中观察长冈极化子，《自然》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07272-9
Max L. Prichard 等人，在动力学受挫的哈伯德系统中直接成像自旋极化子，《自然》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07356-6
期刊信息： Nature