物理学家发现，隐藏的磁性序在赝能隙（一种恰好出现在特定材料转变为超导体之前的令人困惑的物质状态）中扮演着关键角色。研究团队利用超冷量子模拟器发现，即便当磁性看似被破坏时，表层之下仍存在细微且普适的磁性模式。这些模式与赝能隙形成的温度密切相关，暗示磁性可能为超导性的产生奠定了基础。
这一发现来自于使用冷却到略高于绝对零度的量子模拟器进行的实验。随着系统冷却，研究人员观察到一个关于电子如何影响附近电子磁取向的一致模式。由于电子的自旋可以是向上或向下的，这些相互作用塑造了材料的整体行为。这项工作代表了向解释非常规超导性迈出的重要一步，并且是通过德国马克斯·普朗克量子光学研究所的实验物理学家与包括纽约市西蒙斯基金会扁平化研究所计算量子物理中心（CCQ）主任Antoine Georges在内的理论家之间的合作才得以实现的。
这个国际团队在《美国国家科学院院刊》上报告了其研究发现。
为什么超导性仍然是一个谜
数十年来，超导性因其在长距离电力传输和量子计算等技术领域的应用潜力而一直被研究。尽管付出了这些努力，科学家们仍然未能完全理解超导性是如何产生的，特别是在那些在相对较高温度下运行的材料中。
在许多高温超导体中，超导态并非直接由普通金属相产生。相反，材料首先会经历一个被称为赝能隙的中间阶段。在这个阶段，电子行为异常，可用于电流流动的电子态减少。因此，理解赝能隙被广泛认为是揭示超导性背后机制和改善材料性能的关键。
掺杂下的磁性受到压力
当材料含有正常数量的电子时，这些电子倾向于组织成一种称为反铁磁性的高度有序的磁性模式。在这种排列中，相邻的电子自旋指向相反方向，就像一个精心同步的左右序列。
当通过称为掺杂的过程移除电子时，这种有序模式就会被破坏。多年来，科学家们认为掺杂完全消除了长程磁序。但《美国国家科学院院刊》的这项新研究挑战了这一假设，它表明在极低的温度下，一种微妙的组织形态在看似无序的表象下存续着。这些实验由CCQ先前进行的关于赝能隙的理论工作所指导，该工作促成了2024年发表在《科学》杂志上的一篇论文。
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，用于描述电子在固体内部如何相互作用。研究人员并未直接研究实际材料，而是使用被冷却到仅比绝对零度高十亿分之一度的锂原子重新创建了这个模型。这些原子被排列在一个用激光精心创建的光晶格中。
超冷原子量子模拟器使科学家能够在传统固态实验无法达到的条件下重现复杂的材料行为。研究团队使用一种能够对单个原子成像并探测其磁取向的量子气体显微镜，收集了超过35,000张详细的快照。这些图像捕捉了原子在宽范围的温度和掺杂水平下的位置及其磁相关性。
Georges 说："基于超冷原子的量子模拟器现在能够冷却到出现复杂量子集体现象的温度，这真是太了不起了。"
一种普遍的磁性模式浮现
数据揭示了一个惊人的结果。第一作者、马克斯·普朗克量子光学研究所的Thomas Chalopin解释道："当针对特定的温标作图时，磁相关性遵循单一的普遍模式。而这个温标与赝能隙温度，即赝能隙出现的温度点相当。" 这意味着赝能隙与在最初看似无序的表象下存续的微妙磁性结构密切相关。
研究还表明，这种状态下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。即使是一个单一的掺杂剂，也能在惊人的广阔区域内扰乱磁序。与早期只关注电子对的研究不同，这项研究测量了同时涉及多达五个粒子的相关性，这种细节水平全球只有少数实验室能够达到。
揭示隐藏的关联性
对于理论家而言，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于理解高温超导性是如何从相互作用的、"舞蹈着"的电子的集体运动中产生的。Chalopin解释说："通过揭示赝能隙中隐藏的磁序，我们正在揭示最终可能与超导性相关的机制之一。"
这项工作也突显了理论与实验紧密合作的重要性。通过将精确的理论预测与精心控制的量子模拟相结合，研究人员得以揭示那些否则将仍然隐藏的模式。
这项国际性的工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冷却到更低的温度，寻找其他形式的序，并开发从全新视角观察量子物质的新方法。
Georges 说："模拟量子模拟正进入一个激动人心的新阶段，这对我们在CCQ开发的经典算法提出了挑战。与此同时，这些实验需要来自理论和经典模拟的指导。理论家和实验家之间的合作比以往任何时候都更加重要。"