2024年中国科学技术大学潘建伟团队发表4篇Nature／Science

　　费米子哈伯德模型(FHM)描述了由强电子-电子相关性引起的广泛的物理现象，包括非常规超导的推测机制。然而，解决其低温物理问题在理论上或数值上都具有挑战性。光学晶格中的超冷费米子提供了一个干净且控制良好的平台，为模拟FHM提供了一条途径。在半填充状态下掺杂FHM模拟器的反铁磁基态有望产生各种奇异相，为研究高温超导性提供有价值的见解。虽然在短距离和长距离上已经观察到反铁磁相关，但反铁磁相还没有实现，因为它需要在一个大而均匀的量子模拟器中足够低的温度。

　　2024年7月10日，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱及姚星灿共同通讯在Nature 在线发表题为“Antiferromagnetic phase transition in a 3D fermionic Hubbard model”的研究论文，该研究报告了一个由锂-6原子组成的三维费米子Hubbard系统的反铁磁相变的观察，该系统在一个均匀的光学晶格中有大约80万个位点。

　　当相互作用强度、温度和掺杂浓度被微调到接近各自的临界值时，观察到自旋结构因子急剧增加。这些观察结果可以用幂律散度很好地描述，从海森堡普适性分类中得到的临界指数为1.396。在半填充和最佳相互作用强度下，测得的自旋结构因子达到123(8)，表明反铁磁相的建立。该研究为探索FHM的低温相图提供了机会。

　　另外，2024年2月7日，中国科学技术大学潘建伟、姚星灿及陈宇翱共同通讯在Nature 在线发表题为“Observation and quantification of the pseudogap in unitary Fermi gases”的研究论文，该研究报告了通过动量分辨微波光谱精确测量费米子谱函数，在没有末态相互作用的虚假影响的情况下，在锂-6原子的均匀统一费米气体中观察到对波动驱动的赝隙。通过光谱分析，定量地确定了对间隙、逆对寿命和单粒子散射率的温度依赖性。该研究发现在超流体转变温度以上存在较大的赝隙。逆偶寿命表现为热激活指数行为，揭示了微观虚偶断裂和复合机制。得到的与温度无关的大单粒子散射率与普朗克极限所设定的散射率相当。总之，该研究的发现定量地描述了强相互作用费米气体中的赝隙，并支持了预形成对作为超流动性前兆的作用（点击阅读）。

　　2024年5月2日，中国科学技术大学潘建伟及陆朝阳共同通讯在Science 在线发表题为“Realization of fractional quantum Hall state with interacting photons”的研究论文，该研究在二维电路量子电动力学系统上使用基于光子封锁和工程规范场的可编程片上平台演示了光子FQH态的晶格版本（点击阅读）。

　　2024年5月15日，中国科学技术大学潘建伟及包小辉共同通讯在Nature 在线发表题为“Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network”的研究论文，该研究报告了在城域上的多节点量子网络中创建内存-内存纠缠。

　　费米子哈伯德模型(FHM)的哈密顿量采用一种简单的形式，由两项组成:一项表示最近邻居的跳跃t，另一项表示具有相反自旋的电子之间的现场相互作用U。FHM可以描述广泛的强相关电子物理，包括相互作用驱动的金属到绝缘体的转变，量子磁性和非常规超导性。然而，尽管经过了60年的深入研究，对其低温物理特性的准确理解仍然未知。精确的解析解只能在一维或无限空间维度的极限中得到。尽管已经开发了各种先进的数值技术，但控制的定量研究仍然很少，特别是在低温状态下。量子蒙特卡罗(QMC)模拟通常会遇到负号问题，而其他方法，如密度矩阵重整化组，由于计算机内存需求随着系统大小呈指数增长而受到限制。即使在半填充的情况下，对于低温下足够大的系统，模拟在计算上也会变得令人望而却步。

　　在过去的二十年中，现代激光和原子技术的发展导致了在光学晶格中使用超冷原子的FHM的实验实现。对哈密顿参数的精确控制使这些超冷原子系统成为探索低温和掺杂状态下FHM强相关特性的强大平台，这些特性是通过分析和数值方法难以获得的。要实现这一目标，关键和不可避免的一步是在FHM中实现Néel相变和反铁磁相。这需要达到低温，制备大型均匀系统和开发新的探测技术。沿着这些思路，已经取得了许多重要进展。在三维空间中，莫特相和带绝缘相的实现，以及短程量子磁性的观察已被报道。值得注意的是，自旋结构因子(SSF)在比nsamel温度TN高约40%的温度下达到了Sπ≈2，表明存在短程反铁磁相关。

　　在这项工作中，研究人员开发了一个大型量子模拟器，通过结合两个关键进展来探索FHM的低温物理:在盒阱中产生低温均匀费米气体和展示具有均匀位势的三维(3D)平顶光学晶格。在半填充时，FHM的哈密顿量表现出SU(2)对称性，并且随着温度T的降低，它在TN处经历向反铁磁Néel相的转变，SU(2)对称性自发破坏。因此，该反铁磁相变与三维经典Heisenberg模型具有相同的普遍性，这意味着SSF应表现出发散性行为，其临界指数为γ≠(T−TN)−γ，且临界点指数为γ≃1.396。

　　在半填充状态下，Néel温度明显降低；然而，对于小掺杂，海森堡普适性有望保持不变。利用光的自旋敏感Bragg衍射测量了所实现的费米子Hubbard系统的SSF作为相互作用强度、温度和掺杂浓度的函数。在半填充处和半填充处都观察到预期的临界发散现象，为实现反铁磁相变提供了确凿的证据。该工作推进了对费米子哈伯德模型的理解，为进一步求解该模型、获取其低温相图奠定了基础，也首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。