Nature！麦克阿瑟天才奖得主实现冷原子哈伯德模型超低温强关联系统，开启量子材料新纪元！

| 研究背景

哈伯德模型是研究强关联系统中电子行为的经典理论模型，因其能够描述电子在晶格中的相互作用而广泛应用于凝聚态物理和量子材料领域。与传统的理论模型相比，哈伯德模型能够捕捉诸如高温超导、磁性及其他复杂量子相变等多种奇异现象，具有极高的理论和应用价值。然而，二维哈伯德模型在低温及有限掺杂条件下的物理行为尚未被完全理解，主要由于现有数值模拟方法在该区域面临计算复杂度极高和准确性受限的问题，给理论研究带来了巨大挑战。

 

| 研究内容

有鉴于此，麦克阿瑟天才奖得主/哈佛大学Markus Greiner课题组、徐穆清携手设计并制备了一个能够动态调控晶格结构和哈伯德模型参数的冷原子实验系统，通过创新的制备方法将低熵的绝缘体乘积态转化为强关联系统，实现了哈伯德模型中极低温度状态的制备。利用精确控制的光学晶格和数字微镜器件（DMD）形成的可编程光学势场，团队成功扩大了系统规模至约340个格点，同时实现了温度大幅降低，达到了半填充时U/t约8条件下的最低实验温度。

更重要的是，该团队首次在有限掺杂（掺杂浓度2%至21%）条件下，通过量子模拟验证并实现了类似的低温状态，突破了理论与实验领域在掺杂态哈伯德模型研究上的瓶颈。通过与最先进的辅助场量子蒙特卡洛近似数值模拟进行对比，实验结果显示该方案能够将温度有效降低至远低于室温水平，显著推动了对铜氧化物超导体相关物理现象如伪能隙和条纹相的研究。

相关研究成果以「A neutral-atom Hubbard quantum simulator in the cryogenic regime」为题发表在Nature杂志上。该项研究不仅提升了冷原子量子模拟器的制冷效率和系统规模，也展示了量子模拟技术解决复杂多体问题的强大潜力，为未来揭示量子材料中尚未理解的物理机理提供了新途径，推动了量子材料科学及相关技术的发展。

| 图文导读

本文的核心创新点在于通过动态调控可编程光学晶格参数，将低熵乘积态高效转化为大规模哈伯德模型中前所未有的超低温强关联系统态，实现了冷原子量子模拟中温度的显著突破。

图1 | 通过将低熵产物状态转换为强关联状态来冷却超冷原子。

图2 | 将能带绝缘体band insulator劈裂成海森堡反铁磁体。

图3 | 强关联区域中，冷哈伯德反铁磁体。

图4 | 空穴掺杂冷费米哈伯德系统。

图5 | 膨胀绝热性。

| 结论展望

本文通过在二维哈伯德模型的大规模冷原子量子模拟中实现温度的显著降低，展示了利用动态调控可编程光学晶格参数将低熵乘积态转变为强关联系统态的创新路径。这一突破不仅使得冷原子平台能够进入此前难以达到的低温相区，还为研究铜氧化物超导体等量子材料中的复杂物理现象提供了实验基础。实验结果与先进数值模拟高度一致，验证了量子模拟在处理经典计算难以解决的强关联系统动力学和低温性质方面的独特优势。同时，该研究开辟了量子模拟与数值算法相互促进的新范式，未来通过结合混合经典-量子算法，有望进一步降低温度，精确揭示哈伯德模型及相关量子材料的微观机制。这不仅推动了量子模拟技术的发展，也为解决凝聚态物理中长期悬而未决的难题提供了崭新的实验和理论工具，促进了基础科学与应用材料科学的深度融合。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09112-w

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