“原子乐高”量子模拟获重大突破

南京大学物理学院教授缪峰联合南京理工大学理学院教授程斌团队通过“原子乐高”的方式，搭建了基于转角石墨烯莫尔超晶格体系的SU(4)同位旋-扩展哈伯德模型量子模拟器，首次观测到钉扎在莫尔超晶格上的一种特殊的电子晶体态：广义同位旋维格纳晶体。

研究团队通过垂直电场对电子关联强度的原位调节作用，实现了该电子晶体的量子融化，并首次观测到“量子两步临界性”。基于该体系中解耦的能谷自由度和自旋自由度，研究团队进一步通过对水平磁场的原位调节，实现了该扩展哈伯德模型量子模拟器的内禀自由度从SU(4)到SU(2)的连续演化，并在高磁场下首次观测到“量子赝临界性”。相关研究结果发表于9月14日《自然》。

强关联体系中的巨大电子库伦相互作用能够诱导产生丰富奇异的量子多体物态，包括非常规超导、莫特绝缘体、维格纳晶体态、非费米液体、量子自旋液体等。对这些关联物态的探索和深入理解，是过去几十年推动凝聚态物理领域发展的重要推力之一。

其中，在关联诱导的量子相变附近，多种能量尺度可比拟，并且量子涨落显著，为发现新物态和新物理提供了理想平台。特别是当体系涉及多个物理自由度时，不同序参量的量子涨落竞争加剧，可能导致超越朗道相变范式的新型量子临界相和临界行为。

为了抓住关联作用中的核心物理，物理学家们从多体体系中抽象出若干模型，其中最著名的就是哈伯德模型，以及考虑长程库伦作用时的扩展哈伯德模型。虽然这些模型已经是对实际物理系统的简化，但是在理论上求解这些强关联模型仍然存在巨大的挑战。尤其是当具有多自由度的强关联电子体系处于量子临界区域附近时，巨大的序参量量子涨落和多种可比拟的能量尺度，使得问题异常难以求解。

近年来，各类量子模拟器的兴起，为解决这类问题提供了新的实验手段和平台。如果能够在单一体系中通过原位调控参量的方式，实现不同类型的量子相变和量子临界行为，并研究它们之间的可控演化，将为强关联物理领域的发展提供前所未有的机会。

为此，研究人员设计并制备了一种新型的“原子乐高”量子模拟器：基于手性堆叠的转角双层-双层石墨烯（如图1a-c所示，转角0.75°）。该体系具有多条较平的能带，带宽小于10meV，并且随着电场的施加形成陈数为零的孤立平带（如图1f所示），拥有简并的能谷-自旋自由度，是SU(4)同位旋扩展哈伯德模型的理想固态量子模拟器。

在实验中，研究人员观察到新奇绝缘态电阻峰，对应第二个莫尔能带中每3个超晶格上占据1个空穴（如图1e和2a-b所示）。这些绝缘态具有显著的非线性电流-电压曲线，同时电阻随着温度的变化关系满足Efros-Shklovskii型的变程跃迁模型，并且电阻随着水平磁场施加急剧增大20倍并且在高磁场下饱和（如图2c-g所示）。研究人员表示，实验结果说明该关联绝缘态在零磁场和高水平磁场下分别为自旋非极化和自旋极化的维格纳晶体。

研究人员还发现，在该量子模拟器中，改变垂直电场可以连续精准地调控体系中的电子关联强度，从而实现了维格纳晶体的量子融化。

研究人员解释，与常规的量子相变不同，这类量子融化具有两个不同的量子临界点，并且这两个量子临界点所对应的量子标度行为展现出具有不同临界指数（如图3所示）。同时，两个临界点之间的量子临界区域表现为奇异金属行为，且可以持续到最低温，表明临界中间态的存在。

随着水平磁场的施加，维格纳晶体区域变大，量子临界区域变小，两个量子临界点逐渐靠近并交换位置，形成了一个费米液体和维格纳晶体的重叠区域。该重叠区域从最低温一直延续到T*≈5.6K，展现出电阻不随温度变化的特性，说明此时关联长度是不随温度变化的常量，这导致量子临界标度行为的失效。当温度升高至5.6K以上时，体系中的奇异金属行为和量子临界标度性恢复，从而展现出一种新型的量子临界行为：量子赝临界性（如图4所示）。

研究人员表示，该“原子乐高”量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子相变到低对称SU(2)电子系统中弱一阶量子相变的原位演化，不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能，也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步。