研究背景
高溫超導性是近年來凝聚態物理學中的重要研究方向之一，因其在能源、信息技術等領域的潛在應用，成為了研究熱點。然而，盡管經過40多年的理論和實驗研究，高溫超導材料的相圖仍未完全理解，尤其是超導配對與條紋結構之間的復雜關系一直沒有明確的結論。這一問題的解決對于揭示超導現象的本質和進一步提高超導體的臨界溫度具有重要意義。特別是在銅氧化物和鎳酸鹽等材料中，條紋結構與超導性可能緊密相關，但條紋是否先于、與超導性競爭或共存仍然是一個未解之謎。
為了解決這一問題，德國馬克斯-普朗克量子光學研究所Dominik Bourgund，Timon A. Hilker等人合作在“Nature”期刊上發表了題為“Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system”的最新論文?？茖W家們提出了使用量子模擬器，特別是超冷原子在光學晶格中的實現，作為研究高溫超導材料的有效平臺。近年來，混合維度（mixD）系統成為一個新的研究方向，其中電荷動力學限制在二維空間，而自旋則在雙層結構中有序。通過這種設置，研究人員成功地模擬了摻雜反鐵磁體（AFM）中可能出現的條紋結構，揭示了條紋的形成與超導性的關系。
研究表明，超冷原子在哈伯德模型中的實驗首次觀測到了超越鄰近站點的孔吸引現象，并通過更高階的電荷與自旋相關函數，發現了擴展的電荷結構，進一步確認了條紋的形成。這些結果為理解高溫超導材料中條紋結構的形成機制提供了新的視角，并為未來在該領域的實驗和理論研究提供了重要的參考依據。
研究亮點
本研究首次在具有混合維度耦合的排斥性二維哈伯德系統中，觀察到孔在鄰近站點以外的吸引現象，標志著條紋形成的前兆。通過使用更高階的電荷和自旋相關函數，研究人員發現了擴展的電荷結構，識別出這些結構為單個條紋。
在研究過程中，研究團隊通過提高孔–孔吸引能量與自旋交換能量的比例，進入了一個有趣的溫度交叉區間，在該區間內條紋開始形成。結果顯示，孔摻雜物之間存在強的吸引相關性，且隨著溫度的變化，條紋的形成特征逐漸顯現。自旋部分的三階相關函數研究進一步確認了條紋形成的存在，驗證了摻雜物在反鐵磁區域內的波動和分布模式。
本研究的觀察結果為超導配對與條紋之間的復雜關系提供了新見解。盡管之前的理論研究探討了條紋是否先于、與超導性競爭或共存，但本實驗提供的條紋結構和自旋電荷的相互作用為這一關系的深入理解提供了實驗依據。此外，實驗還揭示了混合維度系統中可能的條紋有序結構的增強特性，為相關材料的研究開辟了新方向。
圖文解讀
圖1: 混合費米子-哈伯德系統。
圖2: 超越最近鄰的空穴相關性。
圖3: 多點相關器。
圖4:條紋相長度直方圖。
圖5:自旋區分析。
結論展望
本文利用超冷原子實現了混合維度（mixD）費米–哈伯德模型，并在具有短程自旋相關性的溫度區間中發現了孔配對和擴展電荷有序的跡象，在該溫度區間內電荷的集體行為尚未被充分理解。作者通過密度相關性檢測到有效的孔吸引，并通過實空間可觀測量提供了進一步證據，顯示了波動性的單個條紋的出現及其與磁性背景的相互作用。同時，自旋環境與摻雜物處的反鐵磁（AFM）域壁的形成在三點和字符串相關函數中呈現出定性一致性。作者將這些特征解釋為單個條紋形成的跡象，作為有序條紋相的前兆。mixD設置的有利能量尺度為量子模擬器研究這一集體相提供了途徑，包括精確的周期性、波動性和填充率，從而為近期理論計算結果提供了有價值的比較。mixD與二維系統之間的直接聯系提供了一種使用mixD耦合研究條紋的絕熱準備方法。通過映射到吸引相互作用，條紋相的新見解也直接與奇異的Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov相相關。此外，直接擴展到雙層mixD系統將作者的工作與最近發現的高Tc化合物聯系起來，對于這些化合物來說，混合維度性似乎對雙層鎳酸鹽中約80K超導相的出現至關重要。
原文詳情：
Bourgund, D., Chalopin, T., Bojovi?, 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
