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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(bào)  

來源標(biāo)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(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(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(shí)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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