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德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所物理學(xué)家首次通過實(shí)驗(yàn)，揭示了贗能隙態(tài)中潛藏的磁性有序結(jié)構(gòu)，為理解高溫超導(dǎo)起源提供關(guān)鍵線索。這一成果是量子材料領(lǐng)域的重要進(jìn)展，相關(guān)論文發(fā)表于19日的《美國國家科學(xué)院院刊》。

超導(dǎo)性研究有望給遠(yuǎn)距離輸電和量子計(jì)算等領(lǐng)域帶來變革，然而人們對超導(dǎo)性的理解仍不完整。在許多高溫超導(dǎo)體中，超導(dǎo)并非直接由常規(guī)金屬態(tài)產(chǎn)生，而是先進(jìn)入一種奇特的中間態(tài)——贗能隙態(tài)。此時電子行為異常，可流動的能態(tài)減少。理解贗能隙被認(rèn)為是揭示超導(dǎo)機(jī)理、設(shè)計(jì)更優(yōu)材料的關(guān)鍵。

在母體材料中，電子通常形成反鐵磁有序，即相鄰自旋方向相反。通過摻雜增加或減少電子后，這種有序會被削弱。長期以來，研究人員認(rèn)為摻雜會徹底破壞長程磁性，而贗能隙正是在這種近乎無序狀態(tài)下出現(xiàn)的。

此次研究對這一認(rèn)識提出新證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)借助超冷原子量子模擬器，在接近絕對零度的條件下，用鋰原子構(gòu)建費(fèi)米—哈伯德模型，并將原子排列在激光形成的光學(xué)晶格中，在高度可控環(huán)境下模擬電子間的相互作用。

借助量子氣體顯微鏡，團(tuán)隊(duì)逐個成像原子及自旋狀態(tài)，在不同溫度和摻雜條件下采集超過3.5萬張高分辨率圖像。分析顯示，盡管長程反鐵磁序在摻雜后消失，但在極低溫條件下仍存在穩(wěn)定的短程磁性關(guān)聯(lián)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以特定溫度標(biāo)度比較時，不同摻雜和溫度下的磁性關(guān)聯(lián)可歸并到統(tǒng)一曲線，而這一溫標(biāo)與贗能隙出現(xiàn)的特征溫度高度一致，表明贗能隙與被削弱但仍存在的磁性結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

研究還發(fā)現(xiàn)，在贗能隙態(tài)中，電子間并非僅成對關(guān)聯(lián)，而是形成復(fù)雜多粒子結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測量了5個粒子同時參與的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，顯示即便單個摻雜粒子，也可能在較大空間范圍擾動周圍磁性排列。

超冷原子量子模擬為探索復(fù)雜量子材料提供可控平臺。未來，隨著實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)一步降低和觀測手段提升，科學(xué)家有望在類似體系中發(fā)現(xiàn)新量子有序形態(tài)，并推動對高溫超導(dǎo)本質(zhì)的深入理解。