文章来源：苏黎世联邦理工学院官方网站
简单来说
- 苏黎世联邦理工学院的研究人员详细研究了单个移动电子如何导致材料产生磁性。
- 美国研究人员利用量子模拟器创建了由彩色点组成的图像，并能够利用联邦理工学院研究人员的新方法（“量子点画法”）对这些图像进行解读。
- 这种方法可能有助于物理学家在未来解决其他棘手的物理问题。
近看，它就像许多彩色圆点，但从远处看，它却是一幅细节丰富的复杂图画：乔治·修拉 (George Seurat) 于 1886 年利用点画法创作了杰作《大碗岛的周日下午》。苏黎世联邦理工学院的尤金·德姆勒 (Eugene Demler) 和他的同事以类似的方式研究由许多相互作用的粒子组成的复杂量子系统。在他们的研究中，这些点不是通过轻拍画笔来创建的，而是通过在实验室中使单个原子可见而创建的。
德姆勒的研究小组与哈佛大学和普林斯顿大学的同事一起，利用他们称之为“量子点画法”的新方法，仔细观察了一种特殊的磁性。研究人员刚刚在科学杂志《自然》上发表了两篇论文，发表了他们的研究成果。
理解范式的转变
“这些研究代表了我们对此类磁量子现象理解的范式转变。到目前为止，我们还无法详细研究它们”，Demler 说。这一切始于大约两年前在 ETH。Ataç Imamoğlu 的团队通过实验研究了具有三角晶格的特殊材料（由过渡金属二硫化物制成的莫尔材料）。当 Demler 和他的博士后 Ivan Morera 分析 Imamoğlu 的数据时，他们发现了一种奇特现象，表明存在一种以前只能在理论上预测的磁性。“在这种动能磁性中，晶格内移动的几个电子可以使材料磁化”，Morera 解释道。
在 Imamoğlu 的实验中，这种效应被专家们称为长冈机制，它首次在固体中通过测量磁化率（即材料对外部磁场的反应强度）等方法检测出来。“这一检测基于非常有力的证据。然而，要直接证明这一点，就必须同时在材料内部的几个地方测量电子的状态——它们的位置和自旋方向，”Demler 说。
复杂过程清晰可见
然而，在固体中，常规方法无法做到这一点。研究人员最多可以使用X射线或中子衍射来找出电子自旋在两个位置之间的相互关系——即所谓的自旋关联。复杂自旋排列与额外或缺失电子之间的关联无法通过这种方式测量。
为了使长冈机制的复杂过程（Demler 和 Morera 使用模型计算）仍可见，他们向哈佛大学和普林斯顿大学的同事求助。在那里，由 Markus Greiner 和 Waseem Bakr 领导的研究团队开发了量子模拟器，可用于精确重现固体内部的条件。在这种模拟器中，美国研究人员使用的不是原子晶格内移动的电子，而是光束光学晶格内捕获的极冷原子。然而，描述固体内部电子和光学晶格内原子的数学方程几乎相同。
量子系统的彩色快照
格雷纳和巴克的研究小组利用高倍放大显微镜，不仅能够分辨出单个原子的位置，还能分辨出它们的自旋方向。他们将从量子系统快照中获得的信息转换成彩色图形，可以与理论上的点彩画进行比较。例如，德姆勒和他的同事从理论上计算出长冈机制中的一个额外电子如何与另一个自旋相反的电子形成一对，然后以双子的形式穿过材料的三角晶格。根据德姆勒和莫雷拉的预测，双子应该被一团自旋方向平行或铁磁性的电子云所包围。这种云也称为磁极化子。
这正是美国研究人员在实验中看到的。此外，如果量子模拟器的晶体光学晶格中缺少一个原子——这对应于真实晶体中缺少一个电子或“空穴”——那么围绕该空穴形成的云将由自旋指向相反方向的原子对组成，正如 Demler 和 Morera 所预测的那样。这种反铁磁序（或更准确地说是反铁磁关联）之前也曾在美国康奈尔大学的固态实验中间接检测到。现在在量子模拟器中，它变得直接可见。
“我们首次通过对‘真实’固体和量子模拟器的实验解决了物理难题。我们的理论工作是将一切联系在一起的粘合剂”，Demler 说道。他相信，未来他的方法也将有助于解决其他棘手的问题。例如，导致磁极化子云形成的机制也可能对高温超导体发挥重要作用。
