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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

量子力学描述了粒子的类波性质，并成功地解释了电子相互独立移动的材料的电子特性。量子力学的某些特性已经被明确，例如超导现象是由材料中电子的协调相互作用引起的。然而，随着电子之间相互作用的复杂性和范围的增加，实际材料中产生的电子态的性质很难在微观上理解。量子模拟器可以帮助物理学家了解固体中电子的复杂量子行为。理想情况下，此类模拟器应尽可能具有许多用于修改系统属性的“旋钮”。事实证明，由激光束冷却和操纵的原子作为量子模拟器非常有用，但固体可以提供比冷原子对应物更多的旋钮。

有鉴于此，南京大学缪峰等人报告了在扩展 Hubbard模型的实验模拟器中观察到的可调量子临界性，该模型具有手性堆叠扭曲双层石墨烯 (cTDBG) 中出现的自旋谷同位旋。缩放分析显示，当广义维格纳晶体通过改变位移场转变为费米液体时，量子两阶段临界表现出两个不同的量子临界点，出现了一个临界中间相。当施加高平行磁场时，量子两阶段临界演化为量子伪临界。在伪临界中，发现量子临界标度仅在临界温度以上有效，表明其中的一阶 QPT 较弱。该结果展示了一种高度可调的固态模拟器，具有多个自由度的复杂相互作用，用于探索奇异的量子临界状态和行为。

图. 固态量子模拟

（1）创建石墨烯超晶格

作者为他们的Hubbard模拟器创建了一个由石墨烯制成的“超晶格”，这是一个以六角晶格排列的单层碳原子。在这种情况下，作者将两个独立的双层石墨烯层相对于彼此扭曲，在层之间产生一种特殊的干涉效应，称为莫尔图案。与这种模式相关的能量为排列在蜂窝晶格中的电子创造了首选位置。

图. cTDBG

（2）证实系统的可调性

作者测量了这种材料的电阻，发现当他们改变占据的位置比例时，它们可以诱导一种绝缘状态，称为维格纳状态，这种状态只有在阵列中的电荷从这些位置脱离时才开始导电。可以通过使用电场或磁场作为调节电子之间相互作用的旋钮来影响这种状态。通过改变电场，他们将系统的最低能量状态从Wigner晶体修改为被称为费米液态金属状态的充分表征的状态。这种转变涉及一种被称为奇怪金属的中间状态，人们对此知之甚少。这些跃迁可以通过电场而不是温度来控制这一事实，这意味着它们涉及系统最低能态的基本重排。因此，作者的工作提供了一个平台，可以调整最简单的模拟器以展示复杂的量子相变。

图.  维格纳晶态的证据

（3）固态模拟器的局限性及优势

真实固体中的原子间距通常为几埃，比冷原子系统中的间距小10000 倍。因此，尽管固态模拟器比冷原子模拟器更接近真实系统，但间距的差异仍然会影响量子态的能量以及可以使用这些平台的条件。除了站点间距之外，固态模拟器比冷原子模拟器具有明显的优势，因为它们有更多的旋钮。可以使用多种材料构成，这些材料对电场的反应各不相同，并且该电场可用于控制其电子相互作用的强度和性质。

图. 量子两阶段临界

图. 12-T平行磁场中的量子伪临界

参考文献：

Mandar M. Deshmukh, et al. Simple solids can mimic complex electronic states. Nature，2022，609:470-471

DOI: 10.1038/d41586-022-02889-0.

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02889-0

Li, Q., Cheng, B., Chen, M. et al. Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05106-0