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研究背景

高溫超導材料因其在能源、電子學以及量子計算等領域的潛在應用而備受關注。與傳統的超導材料相比，銅氧化物類高溫超導體具有更高的臨界溫度，這使得它們在常溫下能夠實現超導性，具有廣泛的應用前景。然而，盡管研究已持續了40多年，超導性與條紋結構之間的關系仍未完全明了，尤其是在超導配對與條紋形成的復雜交互作用上仍然存在許多未解的難題。這一問題的解決對于推動高溫超導材料的應用以及理解有序相的形成機制至關重要。

成果簡介

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。

該團隊利用混合維度（mixD）耦合的二維哈伯德模型，首次觀察到在冷原子系統中，孔摻雜物之間的相互作用超出了最近鄰站點的范圍，從而揭示了條紋結構的形成過程。研究人員通過高階電荷和自旋相關函數的測量，成功捕捉到了擴展電荷結構的信號，并確認其為單個條紋結構的形成。

這一發現不僅為理解高溫超導體中條紋相的形成提供了實驗依據，還為探索超導與條紋之間的關系提供了新的視角。通過量子模擬器，研究者能夠精確控制系統的參數和維度，實現對超導材料中關鍵物理現象的直接觀測。這一工作不僅為固態物理中的重要問題提供了新的實驗支持，也為設計和優化新型高溫超導材料提供了理論基礎。

研究亮點

（1）實驗首次在具有混合維度（mixD）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，揭示了孔摻雜物之間的長程吸引相關性。

（2）實驗通過使用更高階的電荷和自旋相關函數，識別出擴展的電荷結構，并將其解讀為單個條紋的前兆。這些條紋結構的觀察為超導性和條紋之間復雜關系的研究提供了新的視角。

（3）通過對自旋部分的研究，發現條紋的形成與反鐵磁性有密切關聯，觀察到自旋相關性在一定溫度范圍內增強，進一步支持了條紋相的存在。

（4）實驗結果表明，混合維度系統可能表現出增強的條紋有序特性，這為理解高溫超導材料中條紋相與超導性之間的關系提供了實驗依據。

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

本文的研究為高溫超導體中條紋相的形成提供了新的實驗證據，并展示了混合維度（mixD）費米–哈伯德模型在探索這一現象中的潛力。通過超冷原子量子模擬器，研究首次觀察到孔配對和擴展電荷有序的跡象，揭示了短程自旋相關性和集體電荷行為之間的復雜關系。

這一發現為理解條紋相的起源和其與反鐵磁有序的相互作用提供了重要線索，尤其是在摻雜物的波動性和條紋的形成過程中。mixD設置的能量尺度為量子模擬器提供了研究這一集體相的有效平臺，能夠精確控制周期性、波動性和填充率等參數。

此外，將mixD系統與二維系統的聯系以及與雙層鎳酸鹽等新型高溫超導材料的關系，拓寬了我們對超導性和條紋相在多維體系中相互作用的理解。此研究為未來量子模擬在探索復雜凝聚態物質中的應用提供了新的視角，尤其是在量子計算和新型超導材料的研究方向上，具有重要的啟發意義。

文獻信息

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).

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