隱藏的磁序可以解鎖超導性

這一發現來自使用冷卻至絕對零以上溫度的量子模擬器進行的實驗。當系統冷卻時，研究人員觀察到電子如何影響周圍電子的磁性方向的一致模式。由於電子可以向上或向下旋轉，這些相互作用決定了材料的整體行為。這項工作是解釋非常規超導性的重要一步，是通過德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的實驗和理論物理學家之間的合作完成的，其中包括紐約西蒙斯基金會熨斗研究所計算量子物理中心（CCQ）主任安托萬·喬治（Antoine Georges）。

國際團隊報告了他們的發現 美國國家科學院院刊。

為什麼超導仍然是一個謎

超導性因其改變長距離電力傳輸和量子計算等技術的潛力而被研究了數十年。儘管做出了這些努力，科學家們仍然不明白超導性是如何發生的，特別是在相對高溫下工作的材料中。

在許多高溫超導體中，超導態並不是直接從普通金屬相中出現。相反，材料首先經過一個稱為贗能隙的中間階段。在此階段，電子的行為方式不尋常，可供電流流過的電子態較少。因此，了解贗能隙對於了解超導背後的機制和提高材料的性能至關重要。

摻雜壓力下的磁性

當材料具有正常數量的電子時，這些電子往往會以良好有序的磁性圖案排列，稱為反鐵磁性。在這種排列中，相鄰電子的自旋指向相反的方向，就像一個仔細同步的左右序列。

當通過稱為摻雜的過程去除電子時，這種有序模式就會被破壞。多年來，科學家們認為摻雜完全消除了長程磁序。美國國家科學院院刊的新研究挑戰了這一假設，表明在極低的溫度下，在明顯的無序狀態下存在著一種微妙的組織形式。這些實驗以 CCQ 中贗能隙的早期理論工作為指導，並於 2024 年發表了一篇論文。 科學。

用超冷原子模擬量子物質

為了研究這種行為，研究小組使用了費米-哈伯德模型，這是一種廣泛接受的理論框架，描述電子如何在固體內相互作用。研究人員沒有研究真實的材料，而是使用冷卻到絕對零以上十億分之一的鋰原子重新創建了模型。這些原子排列在由激光創建的精心控制的光學晶格中。

超冷原子量子模擬器使科學家能夠在傳統固態實驗無法實現的條件下重現複雜的材料行為。該團隊使用可以對單個原子進行成像並檢測其磁性方向的量子氣體顯微鏡，收集了超過 35,000 張詳細圖片。這些圖像捕獲了原子的位置及其在各種溫度和摻雜水平下的磁相關性。

“值得注意的是，基於超冷原子的量子模擬模擬器可以冷卻到出現複雜量子集體現象的溫度，”喬治說。

創建通用磁性圖案

數據揭示了一個驚人的結果。 “當針對特定的溫標繪製時，磁相關遵循單一的、通用的模式，”馬克斯·普朗克量子光學研究所的主要作者托馬斯·查洛平（Thomas Chalopin）解釋道。 “這個尺度與偽真空溫度相當，即偽真空出現的點。”這意味著贗真空與最初看似無序的表面下持續存在的微妙磁性結構密切相關。

研究還表明，這種狀態下的電子相互作用比簡單的配對更複雜。相反，電子形成更大的多粒子結構。即使是單一摻雜劑也能在大範圍內擾亂磁序。與之前僅關注電子對的研究不同，這項研究同時測量了所有五個粒子的相關性，全世界只有少數實驗室才能達到這種詳細程度。

揭示隱藏的相關性

對於理論學家來說，這些發現為贗間隙模型提供了一個重要的新基準。總體而言，這些結果使科學家們更進一步了解高溫超導性是如何從相互作用的電子的集體運動中產生的。查洛平解釋說：“通過揭示虛空中隱藏的磁序，我們最終揭示了可能與超導性相關的機制之一。”

這項工作還強調了理論與實驗之間密切合​​作的重要性。通過將精確的理論預測與精心控制的量子模擬相結合，研究人員能夠發現原本隱藏的模式。

這項國際努力匯集了實驗和理論專業知識，未來的實驗旨在進一步冷卻系統，尋找更多的訂單，並開發從新角度觀察量子物質的新方法。

“模擬量子模擬正在進入一個令人興奮的新階段，這對我們在 CCQ 開發的經典算法提出了挑戰，”Georges 說。 “同時，這些實驗需要經典理論和模擬的指導。理論家和實驗家之間的合作比以往任何時候都更加重要。”