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研究背景

高溫超導(dǎo)材料因其在能源、電子學(xué)以及量子計(jì)算等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料相比，銅氧化物類高溫超導(dǎo)體具有更高的臨界溫度，這使得它們在常溫下能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)性，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，盡管研究已持續(xù)了40多年，超導(dǎo)性與條紋結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系仍未完全明了，尤其是在超導(dǎo)配對與條紋形成的復(fù)雜交互作用上仍然存在許多未解的難題。這一問題的解決對于推動高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用以及理解有序相的形成機(jī)制至關(guān)重要。

成果簡介

為了解決這一問題，德國馬克斯-普朗克量子光學(xué)研究所Dominik Bourgund，Timon A. Hilker等人合作在Nature期刊上發(fā)表了題為“Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system”的最新論文。

該團(tuán)隊(duì)利用混合維度（mixD）耦合的二維哈伯德模型，首次觀察到在冷原子系統(tǒng)中，孔摻雜物之間的相互作用超出了最近鄰站點(diǎn)的范圍，從而揭示了條紋結(jié)構(gòu)的形成過程。研究人員通過高階電荷和自旋相關(guān)函數(shù)的測量，成功捕捉到了擴(kuò)展電荷結(jié)構(gòu)的信號，并確認(rèn)其為單個條紋結(jié)構(gòu)的形成。

這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解高溫超導(dǎo)體中條紋相的形成提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，還為探索超導(dǎo)與條紋之間的關(guān)系提供了新的視角。通過量子模擬器，研究者能夠精確控制系統(tǒng)的參數(shù)和維度，實(shí)現(xiàn)對超導(dǎo)材料中關(guān)鍵物理現(xiàn)象的直接觀測。這一工作不僅為固態(tài)物理中的重要問題提供了新的實(shí)驗(yàn)支持，也為設(shè)計(jì)和優(yōu)化新型高溫超導(dǎo)材料提供了理論基礎(chǔ)。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次在具有混合維度（mixD）耦合的排斥性二維哈伯德系統(tǒng)中觀察到孔在鄰近站點(diǎn)以外的吸引現(xiàn)象，揭示了孔摻雜物之間的長程吸引相關(guān)性。

（2）實(shí)驗(yàn)通過使用更高階的電荷和自旋相關(guān)函數(shù)，識別出擴(kuò)展的電荷結(jié)構(gòu)，并將其解讀為單個條紋的前兆。這些條紋結(jié)構(gòu)的觀察為超導(dǎo)性和條紋之間復(fù)雜關(guān)系的研究提供了新的視角。

（3）通過對自旋部分的研究，發(fā)現(xiàn)條紋的形成與反鐵磁性有密切關(guān)聯(lián)，觀察到自旋相關(guān)性在一定溫度范圍內(nèi)增強(qiáng)，進(jìn)一步支持了條紋相的存在。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混合維度系統(tǒng)可能表現(xiàn)出增強(qiáng)的條紋有序特性，這為理解高溫超導(dǎo)材料中條紋相與超導(dǎo)性之間的關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖文解讀

圖1: 混合費(fèi)米子-哈伯德系統(tǒng)。

圖2: 超越最近鄰的空穴相關(guān)性。

圖3: 多點(diǎn)相關(guān)器。

圖4:條紋相長度直方圖。

圖5:自旋區(qū)分析。

結(jié)論展望

本文的研究為高溫超導(dǎo)體中條紋相的形成提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并展示了混合維度（mixD）費(fèi)米–哈伯德模型在探索這一現(xiàn)象中的潛力。通過超冷原子量子模擬器，研究首次觀察到孔配對和擴(kuò)展電荷有序的跡象，揭示了短程自旋相關(guān)性和集體電荷行為之間的復(fù)雜關(guān)系。

這一發(fā)現(xiàn)為理解條紋相的起源和其與反鐵磁有序的相互作用提供了重要線索，尤其是在摻雜物的波動性和條紋的形成過程中。mixD設(shè)置的能量尺度為量子模擬器提供了研究這一集體相的有效平臺，能夠精確控制周期性、波動性和填充率等參數(shù)。

此外，將mixD系統(tǒng)與二維系統(tǒng)的聯(lián)系以及與雙層鎳酸鹽等新型高溫超導(dǎo)材料的關(guān)系，拓寬了我們對超導(dǎo)性和條紋相在多維體系中相互作用的理解。此研究為未來量子模擬在探索復(fù)雜凝聚態(tài)物質(zhì)中的應(yīng)用提供了新的視角，尤其是在量子計(jì)算和新型超導(dǎo)材料的研究方向上，具有重要的啟發(fā)意義。

文獻(xiàn)信息

Bourgund, D., Chalopin, T., Bojovi?, P. et al. Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system. Nature 637, 57–62 (2025).

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