研究背景
高溫超導(dǎo)性是近年來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)中的重要研究方向之一，因其在能源、信息技術(shù)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，成為了研究熱點(diǎn)。然而，盡管經(jīng)過(guò)40多年的理論和實(shí)驗(yàn)研究，高溫超導(dǎo)材料的相圖仍未完全理解，尤其是超導(dǎo)配對(duì)與條紋結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜關(guān)系一直沒(méi)有明確的結(jié)論。這一問(wèn)題的解決對(duì)于揭示超導(dǎo)現(xiàn)象的本質(zhì)和進(jìn)一步提高超導(dǎo)體的臨界溫度具有重要意義。特別是在銅氧化物和鎳酸鹽等材料中，條紋結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)性可能緊密相關(guān)，但條紋是否先于、與超導(dǎo)性競(jìng)爭(zhēng)或共存仍然是一個(gè)未解之謎。
為了解決這一問(wèn)題，德國(guó)馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所Dominik Bourgund，Timon A. Hilker等人合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system”的最新論文。科學(xué)家們提出了使用量子模擬器，特別是超冷原子在光學(xué)晶格中的實(shí)現(xiàn)，作為研究高溫超導(dǎo)材料的有效平臺(tái)。近年來(lái)，混合維度（mixD）系統(tǒng)成為一個(gè)新的研究方向，其中電荷動(dòng)力學(xué)限制在二維空間，而自旋則在雙層結(jié)構(gòu)中有序。通過(guò)這種設(shè)置，研究人員成功地模擬了摻雜反鐵磁體（AFM）中可能出現(xiàn)的條紋結(jié)構(gòu)，揭示了條紋的形成與超導(dǎo)性的關(guān)系。
研究表明，超冷原子在哈伯德模型中的實(shí)驗(yàn)首次觀測(cè)到了超越鄰近站點(diǎn)的孔吸引現(xiàn)象，并通過(guò)更高階的電荷與自旋相關(guān)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)展的電荷結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步確認(rèn)了條紋的形成。這些結(jié)果為理解高溫超導(dǎo)材料中條紋結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制提供了新的視角，并為未來(lái)在該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論研究提供了重要的參考依據(jù)。
研究亮點(diǎn)
本研究首次在具有混合維度耦合的排斥性二維哈伯德系統(tǒng)中，觀察到孔在鄰近站點(diǎn)以外的吸引現(xiàn)象，標(biāo)志著條紋形成的前兆。通過(guò)使用更高階的電荷和自旋相關(guān)函數(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)展的電荷結(jié)構(gòu)，識(shí)別出這些結(jié)構(gòu)為單個(gè)條紋。
在研究過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)提高孔–孔吸引能量與自旋交換能量的比例，進(jìn)入了一個(gè)有趣的溫度交叉區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)條紋開(kāi)始形成。結(jié)果顯示，孔摻雜物之間存在強(qiáng)的吸引相關(guān)性，且隨著溫度的變化，條紋的形成特征逐漸顯現(xiàn)。自旋部分的三階相關(guān)函數(shù)研究進(jìn)一步確認(rèn)了條紋形成的存在，驗(yàn)證了摻雜物在反鐵磁區(qū)域內(nèi)的波動(dòng)和分布模式。
本研究的觀察結(jié)果為超導(dǎo)配對(duì)與條紋之間的復(fù)雜關(guān)系提供了新見(jiàn)解。盡管之前的理論研究探討了條紋是否先于、與超導(dǎo)性競(jìng)爭(zhēng)或共存，但本實(shí)驗(yàn)提供的條紋結(jié)構(gòu)和自旋電荷的相互作用為這一關(guān)系的深入理解提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)還揭示了混合維度系統(tǒng)中可能的條紋有序結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)特性，為相關(guān)材料的研究開(kāi)辟了新方向。
圖文解讀
圖1: 混合費(fèi)米子-哈伯德系統(tǒng)。
圖2: 超越最近鄰的空穴相關(guān)性。
圖3: 多點(diǎn)相關(guān)器。
圖4:條紋相長(zhǎng)度直方圖。
圖5:自旋區(qū)分析。
結(jié)論展望
本文利用超冷原子實(shí)現(xiàn)了混合維度（mixD）費(fèi)米–哈伯德模型，并在具有短程自旋相關(guān)性的溫度區(qū)間中發(fā)現(xiàn)了孔配對(duì)和擴(kuò)展電荷有序的跡象，在該溫度區(qū)間內(nèi)電荷的集體行為尚未被充分理解。作者通過(guò)密度相關(guān)性檢測(cè)到有效的孔吸引，并通過(guò)實(shí)空間可觀測(cè)量提供了進(jìn)一步證據(jù)，顯示了波動(dòng)性的單個(gè)條紋的出現(xiàn)及其與磁性背景的相互作用。同時(shí)，自旋環(huán)境與摻雜物處的反鐵磁（AFM）域壁的形成在三點(diǎn)和字符串相關(guān)函數(shù)中呈現(xiàn)出定性一致性。作者將這些特征解釋為單個(gè)條紋形成的跡象，作為有序條紋相的前兆。mixD設(shè)置的有利能量尺度為量子模擬器研究這一集體相提供了途徑，包括精確的周期性、波動(dòng)性和填充率，從而為近期理論計(jì)算結(jié)果提供了有價(jià)值的比較。mixD與二維系統(tǒng)之間的直接聯(lián)系提供了一種使用mixD耦合研究條紋的絕熱準(zhǔn)備方法。通過(guò)映射到吸引相互作用，條紋相的新見(jiàn)解也直接與奇異的Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov相相關(guān)。此外，直接擴(kuò)展到雙層mixD系統(tǒng)將作者的工作與最近發(fā)現(xiàn)的高Tc化合物聯(lián)系起來(lái)，對(duì)于這些化合物來(lái)說(shuō)，混合維度性似乎對(duì)雙層鎳酸鹽中約80K超導(dǎo)相的出現(xiàn)至關(guān)重要。
原文詳情：
Bourgund, D., Chalopin, T., Bojovi?, P. et al. Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system. Nature 637, 57–62 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08270-7
