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實驗揭示贗能隙態(tài)潛藏磁性有序結(jié)構(gòu) 為理解高溫超導起源提供關(guān)鍵線索
2026-01-20 14:04:00
來源:科技日報  作者: 張佳欣

德國馬克斯·普朗克量子光學研究所物理學家首次通過實驗,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)域的重要進展,相關(guān)論文發(fā)表于19日的《美國國家科學院院刊》。

超導性研究有望給遠距離輸電和量子計算等領(lǐng)域帶來變革,然而人們對超導性的理解仍不完整。在許多高溫超導體中,超導并非直接由常規(guī)金屬態(tài)產(chǎn)生,而是先進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。理解贗能隙被認為是揭示超導機理、設計更優(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。

此次研究對這一認識提出新證據(jù)。研究團隊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)建費米—哈伯德模型,并將原子排列在激光形成的光學晶格中,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,團隊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)。

進一步分析發(fā)現(xiàn),當以特定溫度標度比較時,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),而是形成復雜多粒子結(jié)構(gòu)。實驗測量了5個粒子同時參與的關(guān)聯(lián)效應,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雜量子材料提供可控平臺。未來,隨著實驗溫度進一步降低和觀測手段提升,科學家有望在類似體系中發(fā)現(xiàn)新量子有序形態(tài),并推動對高溫超導本質(zhì)的深入理解。

編輯:韓夢晨
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