最近的一项利用计算技术的研究揭示了伪能隙态的新见解，伪能隙态是高温超导性量子物理学中的一个重大挑战。

研究人员采用了一种称为图解蒙特卡洛的复杂算法来模拟超导材料中的电子行为，从而可能在理解室温超导性方面取得突破，这可能会彻底改变电力传输和其他技术。

量子物理学的突破：理解赝能隙

科学家们巧妙地运用了一种计算技术，在理解“赝能隙”方面取得了突破，这是量子物理学中长期存在的一个难题，与超导性密切相关。这项发现发表在9月20日的《科学》杂志上，将有助于科学家们在寻找室温超导性方面取得进展，室温超导性是凝聚态物理学的圣杯，将实现无损耗电力传输、更快的MRI机器和超级悬浮列车。

某些涉及铜和氧的材料在相对较高的温度下（但仍处于极低温度），即零下140摄氏度以下时，显示出超导性（电流无电阻地流动）。在更高的温度下，这些材料会陷入所谓的赝能隙状态，在这种状态下，它们有时表现得像普通金属，有时则更像半导体。科学家发现，所有所谓的高温超导材料中都存在赝能隙。但他们并不清楚为什么或如何出现赝能隙，也不知道当温度降至绝对零度（零下273.15摄氏度，即分子运动停止时无法达到的温度下限）时，赝能隙是否依然存在。

超导性和赝能隙的深入见解

该研究的合著者、Flatiron 研究所计算量子物理中心主任安托万·乔治表示，通过更好地了解赝能隙的出现方式及其与绝对零度下超导材料的理论性质之间的关系，科学家们对这些材料有了更清晰的认识。

“这就像你站在一个风景如画的地方，周围都是雾，以前你只能看到几个山谷和几个山峰，”他说道。“现在雾正在消散，我们可以看到这个地方的更多全貌。这真是一个激动人心的时刻。”

量子研究中的计算挑战

量子物理学家可以通过模拟材料中电子行为的计算方法，来研究诸如赝能隙之类的状态。然而，由于量子纠缠的存在，这些计算变得异常困难。在量子纠缠中，电子相互连接，即使它们分开后也不能单独处理。对于几十个以上的电子，直接计算所有粒子的行为是不可能的。

乔治斯说：“计算这些材料的特性是极具挑战性的——即使是你能想到的最强大的计算机也无法准确模拟出它们。”“你必须采用巧妙的算法和简化的模型。”

弥补量子模型中的温度差距

其中一个著名的模型被称为哈伯德模型：研究人员将材料视为一个棋盘，电子可以在相邻的空格之间像车一样跳跃。电子可以有向上或向下的自旋。如果两个电子具有相反的自旋并付出能量代价，则它们只能在棋盘上共享一个空间。基于这个起源于20世纪60年代的模型，科学家们可以采用不同的计算方法，每种方法在不同情况下都有其优点和缺点。

“有一类方法在零度时工作得非常好，还有一类方法在有限温度下工作得非常好，”新研究的首席作者费多尔·西姆科维奇四世（Fedor Šimkovic IV）说，他曾是巴黎综合理工学院和法国高等师范学院共同作者米歇尔·费雷罗（Michel Ferrero）的博士后研究员，现在是德国慕尼黑IQM量子计算机公司的团队负责人。“这两个世界通常不会相互交谈，因为在这两者之间，在非常低但有限的温度下，实际上是计算最困难的状态。”

图示蒙特卡洛法的发展

这种中间状态正是赝能隙存在的地方。为了解决这个问题，研究团队应用了一种名为“图解蒙特卡洛”的算法，该算法首次描述于1998年；2017年，这篇新论文的合著者里卡多·罗西对其进行了改进。与量子蒙特卡洛不同，量子蒙特卡洛是一种富有成效且广为人知的算法，它利用随机性一次考察模型的小区域，并将这些考察结合起来得出结论，而图解蒙特卡洛则同时考虑整个棋盘上的相互作用。

“图示蒙特卡洛方法截然不同，”法国国家科学研究中心和索邦大学的研究人员罗西表示。“原则上，我们可以模拟无限数量的粒子。”

量子模拟与超导的未来方向

利用图解蒙特卡洛方法，研究团队弄清了赝能隙材料在冷却至绝对零度时会发生什么情况。根据之前的研究，他们知道这些材料可以开始超导，或者可以形成“条纹”，其中电子组织成与空行分隔的匹配自旋行。

哈伯德模型在绝对零度下所处的状态取决于电子的数量。当模型中电子的数量与棋盘方格的数量完全相同时，整个棋盘会呈现稳定的棋盘格模式，电子自旋向上和向下交替出现，从而使材料成为电绝缘体（对于超导研究来说，这是非常无趣的，因为绝缘体与导体完全相反）。增加或减少电子可能导致超导性和/或条纹状。

在电子仍在移动的较高温度下，研究人员知道，移走电子会导致赝能隙的产生，但他们不知道材料冷却时会发生什么。

乔治斯说：“关于赝能隙是否总会演变为条纹态，曾有过争论。我们的论文回答了这一领域中的突出问题，并结束了这场争论。”该研究揭示了，随着赝能隙中的材料冷却至绝对零度，它们确实会发展成条纹。有趣的是，乔治斯补充道，调整哈伯德模型以允许对角线移动（如象棋中的象一样），随着温度的降低，赝能隙会演变为超导体。

对量子气体模拟器的影响

这篇论文还回答了是什么导致了赝能隙的问题，在赝能隙中，电子排列不再像绝对零度时那样均匀，而是包括一些条纹区域、一些带有两个电子的正方形、一些空穴和一些棋盘格图案的区域。研究人员发现，一旦这些棋盘格区域出现在电子排列中，材料就会陷入赝能隙。这两个关于赝能隙的重要答案有助于进一步解开哈伯德模型的谜团。

“从更广泛的层面来说，整个事情是科学界集体努力的一部分，即集合计算方法来攻克这些难题，”乔治斯说。“我们正生活在这些问题终于得以澄清的时代。”

这些结果也将使数值计算之外的其他应用受益，包括量子气体模拟，这是一个量子光学和凝聚态物理交叉的20年老领域。在这些实验中，原子被冷却到极低的温度，然后被激光捕获到一个类似于哈伯德模型的网格中。随着量子光学的新发展，研究人员现在可以将这些温度降低到几乎形成赝能隙的程度，从而将理论与实验结合起来。

乔治斯说：“我们的论文与这些超冷量子气体模拟器有直接的关系。‘这些量子模拟器现在正处于能够观测到这个赝能隙现象的边缘，所以我预计在接下来的一两年里，会有一些非常有趣的发展。”

参考：“掺杂哈伯德模型中赝能隙的起源和命运”，作者：费多尔·希姆科维奇四世、里卡多·罗西、安托万·乔治和米歇尔·费雷罗，2024年9月20日，《科学》杂志。DOI：10.1126/science.ade9194