向实现室温超导迈进——量子物理学赝能隙难题获突破

美国纽约熨斗研究所计算量子物理中心研究人员巧妙地运用了一种计算技术，在理解“赝能隙”这一长期困扰量子物理且与超导性密切相关的难题上取得了突破。这项发现刊登于最新一期《科学》杂志，将助力实现室温超导，以及在无损耗电力传输、更先进的核磁共振技术和超高速悬浮列车等领域的应用。

赝能隙是指在一些材料（如铜氧化物）中观察到的奇异行为。这些材料在极端温度（低于-140℃）下表现为超导体，但在较高温度下则表现出时而像普通金属，时而又像半导体的特性。赝能隙出现在所有高温超导材料中，但研究人员一直不清楚其出现的原因、方式，以及当温度降至绝对零度（-273.15℃）时，它是否仍然存在。

赝能隙态难以被“解码”的原因在于量子纠缠。为克服这一挑战，研究人员借助了哈伯德模型（物理学中用来描述电子在材料中如何移动和相互作用的数学框架）。该模型将诸如铜氧化物等材料视为棋盘，其中的电子如同棋子般在格子间跳跃。电子可处于自旋向上或向下的状态，并且只有当它们的自旋方向相反时，才能共享同一位置。

为了利用哈伯德模型计算电子的行为，研究人员巧妙运用了“图解蒙特卡罗”算法。该算法能够同时分析整个棋盘上发生的电子相互作用。

研究发现，当赝能隙材料接近绝对零度时，电子会形成一种特殊的“条纹”状态。同时，赝能隙材料中的电子排列不再像绝对零度时那样均匀，而是形成一些条纹区域、有两个电子的方块、孔洞或棋盘格图案。研究人员发现，一旦电子排列中出现这些棋盘格图案，材料就会陷入赝能隙态。

这些发现或有助开发实用的室温超导体，并可理解量子气体模拟——一个结合量子光学和凝聚态物理学的重要领域。