研究背景

高温超导性是近年来凝聚态物理学中的重要研究方向之一，因其在能源、信息技术等领域的潜在应用，成为了研究热点。然而，尽管经过40多年的理论和实验研究，高温超导材料的相图仍未完全理解，尤其是超导配对与条纹结构之间的复杂关系一直没有明确的结论。这一问题的解决对于揭示超导现象的本质和进一步提高超导体的临界温度具有重要意义。特别是在铜氧化物和镍酸盐等材料中，条纹结构与超导性可能紧密相关，但条纹是否先于、与超导性竞争或共存仍然是一个未解之谜。

为了解决这一问题，德国马克斯-普朗克量子光学研究所Dominik Bourgund，Timon A. Hilker等人合作在“Nature”期刊上发表了题为“Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system”的最新论文。科学家们提出了使用量子模拟器，特别是超冷原子在光学晶格中的实现，作为研究高温超导材料的有效平台。近年来，混合维度（mixD）系统成为一个新的研究方向，其中电荷动力学限制在二维空间，而自旋则在双层结构中有序。通过这种设置，研究人员成功地模拟了掺杂反铁磁体（AFM）中可能出现的条纹结构，揭示了条纹的形成与超导性的关系。

研究表明，超冷原子在哈伯德模型中的实验首次观测到了超越邻近站点的孔吸引现象，并通过更高阶的电荷与自旋相关函数，发现了扩展的电荷结构，进一步确认了条纹的形成。这些结果为理解高温超导材料中条纹结构的形成机制提供了新的视角，并为未来在该领域的实验和理论研究提供了重要的参考依据。    

研究亮点

• 本研究首次在具有混合维度耦合的排斥性二维哈伯德系统中，观察到孔在邻近站点以外的吸引现象，标志着条纹形成的前兆。通过使用更高阶的电荷和自旋相关函数，研究人员发现了扩展的电荷结构，识别出这些结构为单个条纹。

• 在研究过程中，研究团队通过提高孔–孔吸引能量与自旋交换能量的比例，进入了一个有趣的温度交叉区间，在该区间内条纹开始形成。结果显示，孔掺杂物之间存在强的吸引相关性，且随着温度的变化，条纹的形成特征逐渐显现。自旋部分的三阶相关函数研究进一步确认了条纹形成的存在，验证了掺杂物在反铁磁区域内的波动和分布模式。

• 本研究的观察结果为超导配对与条纹之间的复杂关系提供了新见解。尽管之前的理论研究探讨了条纹是否先于、与超导性竞争或共存，但本实验提供的条纹结构和自旋电荷的相互作用为这一关系的深入理解提供了实验依据。此外，实验还揭示了混合维度系统中可能的条纹有序结构的增强特性，为相关材料的研究开辟了新方向。    

图文解读

图1: 混合费米子-哈伯德系统。

图2: 超越最近邻的空穴相关性。

图3: 多点相关器。

图4:条纹相长度直方图。

图5:自旋区分析。

结论展望

本文利用超冷原子实现了混合维度（mixD）费米–哈伯德模型，并在具有短程自旋相关性的温度区间中发现了孔配对和扩展电荷有序的迹象，在该温度区间内电荷的集体行为尚未被充分理解。作者通过密度相关性检测到有效的孔吸引，并通过实空间可观测量提供了进一步证据，显示了波动性的单个条纹的出现及其与磁性背景的相互作用。同时，自旋环境与掺杂物处的反铁磁（AFM）域壁的形成在三点和字符串相关函数中呈现出定性一致性。作者将这些特征解释为单个条纹形成的迹象，作为有序条纹相的前兆。mixD设置的有利能量尺度为量子模拟器研究这一集体相提供了途径，包括精确的周期性、波动性和填充率，从而为近期理论计算结果提供了有价值的比较。mixD与二维系统之间的直接联系提供了一种使用mixD耦合研究条纹的绝热准备方法。通过映射到吸引相互作用，条纹相的新见解也直接与奇异的Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov相相关。此外，直接扩展到双层mixD系统将作者的工作与最近发现的高Tc化合物联系起来，对于这些化合物来说，混合维度性似乎对双层镍酸盐中约80K超导相的出现至关重要。    

原文详情：

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

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08270-7