一种隐藏的磁性排列，可能揭开超导性的秘密

这项发现源于一项使用量子模拟器的实验，该模拟器被冷却到略高于绝对零度的温度。随着系统冷却，研究人员观察到电子影响邻近电子磁取向的一种一致模式。由于电子可以有自旋向上或向下两种状态，这些相互作用决定了材料的整体行为。这项工作为解释非常规超导现象迈出了重要一步，其实现得益于德国马克斯·普朗克量子光学研究所的实验物理学家与理论家的合作，其中包括纽约市西蒙斯基金会弗莱德森研究所计算量子物理中心（CCQ）主任安托万·乔治。该国际团队将研究成果发表在《美国国家科学院院刊》上。

为何超导仍是未解之谜
超导性因其有望改变长途电力传输和量子计算等技术，已被研究数十年。尽管付出了这些努力，科学家们仍未完全理解超导现象是如何产生的，尤其是在相对高温下工作的材料中。在许多高温超导体中，超导态并非直接从普通金属相产生，而是首先经历一个被称为赝能隙的中间阶段。在这个阶段，电子表现出异常行为，可用于电流流动的电子态数量减少。因此，理解赝能隙被广泛认为是揭示超导背后机制和提高材料性能的关键。

掺杂压力下的磁性
当一种材料含有正常数量的电子时，这些电子往往会排列成一种有序的磁模式，称为反铁磁性。在这种排列中，相邻电子的自旋方向相反，很像精心同步的左右序列。当通过一种称为掺杂的过程移除电子时，这种有序模式会被打破。多年来，科学家们认为掺杂会完全消除长程磁序。而这项发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究挑战了这一假设，表明在极低温下，一种微妙的有序形式会在看似无序的表象下留存。这些实验是在CCQ先前关于赝能隙的理论研究指导下进行的，该理论研究成果曾于2024年发表在《科学》杂志上。

用超冷原子模拟量子物质
为了探索这种行为，研究团队使用了费米-哈伯德模型，这是一个被广泛接受的理论框架，用于描述固体中电子的相互作用。研究人员没有直接研究实际材料，而是用冷却到绝对零度以上十亿分之一度的锂原子来重现该模型。这些原子被排列在由激光创建的精确控制的光晶格中。超冷原子量子模拟器使科学家能够在传统固态实验无法实现的条件下重现复杂的材料行为。借助量子气体显微镜（可以成像单个原子并检测其磁取向），该团队收集了超过35,000张详细快照。这些图像捕捉了在广泛的温度和掺杂水平范围内原子的位置及其磁关联。

“值得注意的是，基于超冷原子的量子模拟模拟器现在可以被冷却到出现复杂量子集体现象的温度，”乔治表示。

一种普适磁模式的出现
数据揭示了一个惊人的结果。马克斯·普朗克量子光学研究所的第一作者托马斯·沙洛潘解释道：“当磁关联相对于特定温度标度作图时，它们遵循单一的普适模式。而且这个温度标度与赝能隙出现的温度（即赝能隙温度）相当。”这意味着赝能隙与在看似无序的表象下持续存在的微妙磁结构密切相关。

研究还表明，在这个区域的电子相互作用比简单的配对更为复杂。相反，电子会形成更大的多粒子关联结构。即使是单个掺杂原子也能在惊人的广泛区域内破坏磁序。与早期仅关注电子对的研究不同，这项研究同时测量了涉及多达五个粒子的关联，这种细节水平目前全球仅有少数实验室能够实现。

揭示隐藏的关联
对于理论家来说，这些发现为赝能隙模型提供了一个重要的新基准。更广泛地说，这些结果使科学家们更接近理解高温超导是如何从相互作用、“舞动”的电子的集体运动中产生的。沙洛潘解释道：“通过揭示赝能隙中隐藏的磁序，我们正在发现一种可能最终与超导相关的机制。”这项工作还强调了理论与实验密切合作的重要性。通过将精确的理论预测与精心控制的量子模拟相结合，研究人员能够发现原本可能隐藏的模式。

这项国际合作汇集了实验和理论方面的专业知识，未来的实验旨在将系统进一步冷却，寻找更多形式的有序性，并开发从新视角观察量子物质的新方法。

“模拟量子模拟正在进入一个令人兴奋的新阶段，这对我们在CCQ开发的经典算法提出了挑战。同时，这些实验需要理论和经典模拟的指导。理论家与实验家之间的合作比以往任何时候都更加重要。”乔治说。