德国马克斯·普朗克量子光学研究所物理学家首次通过实验，揭示了赝能隙态中潜藏的磁性有序结构，为理解高温超导起源提供关键线索。这一成果是量子材料领域的重要进展，相关论文发表于19日的《美国国家科学院院刊》。
超导性研究有望给远距离输电和量子计算等领域带来变革，然而人们对超导性的理解仍不完整。在许多高温超导体中，超导并非直接由常规金属态产生，而是先进入一种奇特的中间态——赝能隙态。此时电子行为异常，可流动的能态减少。理解赝能隙被认为是揭示超导机理、设计更优材料的关键。
在母体材料中，电子通常形成反铁磁有序，即相邻自旋方向相反。通过掺杂增加或减少电子后，这种有序会被削弱。长期以来，研究人员认为掺杂会彻底破坏长程磁性，而赝能隙正是在这种近乎无序状态下出现的。
此次研究对这一认识提出新证据。研究团队借助超冷原子量子模拟器，在接近绝对零度的条件下，用锂原子构建费米—哈伯德模型，并将原子排列在激光形成的光学晶格中，在高度可控环境下模拟电子间的相互作用。
借助量子气体显微镜，团队逐个成像原子及自旋状态，在不同温度和掺杂条件下采集超过3.5万张高分辨率图像。分析显示，尽管长程反铁磁序在掺杂后消失，但在极低温条件下仍存在稳定的短程磁性关联。
进一步分析发现，当以特定温度标度比较时，不同掺杂和温度下的磁性关联可归并到统一曲线，而这一温标与赝能隙出现的特征温度高度一致，表明赝能隙与被削弱但仍存在的磁性结构密切相关。
研究还发现，在赝能隙态中，电子间并非仅成对关联，而是形成复杂多粒子结构。实验测量了5个粒子同时参与的关联效应，显示即便单个掺杂粒子，也可能在较大空间范围扰动周围磁性排列。
超冷原子量子模拟为探索复杂量子材料提供可控平台。未来，随着实验温度进一步降低和观测手段提升，科学家有望在类似体系中发现新量子有序形态，并推动对高温超导本质的深入理解。
