在《自然》杂志发表的一项研究中，一个研究小组首次在费米子哈伯德模型(FHM)的大规模量子模拟器中观察到了反铁磁相变。

这项研究凸显了量子模拟的优势，标志着获得FHM低温相图和理解量子磁性在高温超导机制中的作用迈出了重要的第一步。该团队由中国科学院中国科学技术大学的潘建伟教授、陈宇傲教授和姚星灿教授领导。

高温超导体等强关联量子材料具有重要的科学意义和潜在的经济效益，但其背后的物理机制尚不明确，对其大规模制备和应用带来挑战。

FHM 是晶格中电子行为的简化表示，它捕捉到了与强关联相关的广泛物理现象，类似于在量子材料中观察到的物理现象，因此被认为可能为理解高温超导机制提供解决方案。

FHM 的研究面临挑战。该模型在二维和三维空间中没有精确的解析解，而且由于计算复杂度高，即使是最先进的数值方法也只能探索有限的参数空间。此外，理论研究表明，即使是通用数字量子计算机也难以准确求解该模型。

人们普遍认为，利用光学晶格中的超冷费米子原子进行量子模拟可能是绘制 FHM 低温相图的关键。为此，实现反铁磁相变并在半填充时达到 FHM 的基态是最重要的步骤。

这一成果将验证量子模拟器的两个关键能力：建立大规模、空间均匀的光晶格以实现均匀的哈伯德参数，以及维持系统温度远低于尼尔温度(反铁磁相变温度)，这两者对于探索量子磁涨落在高温超导机制中的作用至关重要。

然而，由于费米子原子难以冷却以及标准高斯分布晶格激光器引入的不均匀性，在以往的量子模拟实验中难以实现反铁磁相变。针对这些挑战，该团队在前期制备和研究均质盒势强相互作用费米气体成果的基础上，结合盒势阱中低温均质费米气体的制备与均匀位势平顶光晶格的演示，开发了一种先进的量子模拟器。

该量子模拟器包含约800,000个晶格点，比目前几十个点的实验大约大四个数量级，并具有均匀的哈密顿参数，温度明显低于尼尔温度。

利用这一装置，研究团队精确调节相互作用强度、温度和掺杂浓度使其接近各自的临界值，并直接观察到反铁磁相变的确凿证据，即自旋结构因子的幂律发散，其临界指数为1.396(来自海森堡普适性)。

该工作推进了人们对量子磁性的认识，为进一步解决FHM并得到其低温相图奠定了基础。值得注意的是，偏离半满条件的实验结果已经超越了目前经典计算的能力，展现了量子模拟在解决关键科学问题方面的优势。

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