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量子物理學(xué)贗能隙難題獲突破

2024-09-24 18:06:43來源：科技日報  

來源標題：量子物理學(xué)贗能隙難題獲突破

美國紐約熨斗研究所計算量子物理中心研究人員巧妙地運用了一種計算技術(shù)，在理解“贗能隙”這一長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。這項發(fā)現(xiàn)刊登于最新一期《科學(xué)》雜志，將助力實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，以及在無損耗電力傳輸、更先進的核磁共振技術(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)出時而像普通金屬，時而又像半導(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)溫度降至絕對零度(-273.15℃)時，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，才能共享同一位置。

為了利用哈伯德模型計算電子的行為，研究人員巧妙運用了“圖解蒙特卡羅”算法。該算法能夠同時分析整個棋盤上發(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零度時，電子會形成一種特殊的“條紋”狀態(tài)。同時，贗能隙材料中的電子排列不再像絕對零度時那樣均勻，而是形成一些條紋區(qū)域、有兩個電子的方塊、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，材料就會陷入贗能隙態(tài)。

這些發(fā)現(xiàn)或有助開發(fā)實用的室溫超導(dǎo)體，并可理解量子氣體模擬——一個結(jié)合量子光學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的重要領(lǐng)域。

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