科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣
美國(guó)紐約熨斗研究所計(jì)算量子物理中心研究人員巧妙地運(yùn)用了一種計(jì)算技術(shù),在理解“贗能隙”這一長(zhǎng)期困擾量子物理且與超導(dǎo)性密切相關(guān)的難題上取得了突破。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)刊登于最新一期《科學(xué)》雜志,將助力實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo),以及在無損耗電力傳輸、更先進(jìn)的核磁共振技術(shù)和超高速懸浮列車等領(lǐng)域的應(yīng)用。
贗能隙是指在一些材料(如銅氧化物)中觀察到的奇異行為。這些材料在極端溫度(低于-140℃)下表現(xiàn)為超導(dǎo)體,但在較高溫度下則表現(xiàn)出時(shí)而像普通金屬,時(shí)而又像半導(dǎo)體的特性。贗能隙出現(xiàn)在所有高溫超導(dǎo)材料中,但研究人員一直不清楚其出現(xiàn)的原因、方式,以及當(dāng)溫度降至絕對(duì)零度(-273.15℃)時(shí),它是否仍然存在。
贗能隙態(tài)難以被“解碼”的原因在于量子糾纏。為克服這一挑戰(zhàn),研究人員借助了哈伯德模型(物理學(xué)中用來描述電子在材料中如何移動(dòng)和相互作用的數(shù)學(xué)框架)。該模型將諸如銅氧化物等材料視為棋盤,其中的電子如同棋子般在格子間跳躍。電子可處于自旋向上或向下的狀態(tài),并且只有當(dāng)它們的自旋方向相反時(shí),才能共享同一位置。
為了利用哈伯德模型計(jì)算電子的行為,研究人員巧妙運(yùn)用了“圖解蒙特卡羅”算法。該算法能夠同時(shí)分析整個(gè)棋盤上發(fā)生的電子相互作用。
研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)贗能隙材料接近絕對(duì)零度時(shí),電子會(huì)形成一種特殊的“條紋”狀態(tài)。同時(shí),贗能隙材料中的電子排列不再像絕對(duì)零度時(shí)那樣均勻,而是形成一些條紋區(qū)域、有兩個(gè)電子的方塊、孔洞或棋盤格圖案。研究人員發(fā)現(xiàn),一旦電子排列中出現(xiàn)這些棋盤格圖案,材料就會(huì)陷入贗能隙態(tài)。
這些發(fā)現(xiàn)或有助開發(fā)實(shí)用的室溫超導(dǎo)體,并可理解量子氣體模擬——一個(gè)結(jié)合量子光學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的重要領(lǐng)域。