瑞士科學家用超冷原子揭開量子新物質祕密

高級版主 | 2025-9-1 23:19:45

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在量子物理裡，有一種神祕的物質狀態叫做量子自旋液體（quantum spin liquid）。它不像一般磁鐵那樣有固定排列的磁化方向，而是自旋彼此之間長距離糾纏，好像在跳一支永不靜止的「量子舞蹈」。這種狀態一直是物理學界追逐的難題，因為它的行為不能用傳統的局部參數去描述。

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究團隊，最近用一種新的數值模擬方法，結合 Rydberg 原子晶格（一種把原子激發到高能階的實驗平台），成功更精確地模擬量子自旋液體的特性。

研究靈感來自幾年前一項重要實驗。當時科學家真的在實驗中觀察到量子自旋液體，但理論模擬卻常常「對不上號」，因為舊方法無法捕捉實驗的細節。這次 EPFL 團隊換了個思路，不再嘗試計算天文數字般龐大的量子態，而是用少量參數去抓住系統裡最核心的「關聯性」，特別是量子糾纏。這讓他們能在複雜情況下依然有效模擬。
發現相關數字能判斷是否進入「拓撲有序」量子態

圖展示了研究人員如何用不同的晶格幾何（平面、帶孔、圓柱、環狀）去模擬量子自旋液體的「拓撲糾纏熵」（TEE）。
左上圖（a）顯示在時間演化過程中，系統的 TEE 如何隨晶格大小（72 與 288 個粒子）而變化；右上圖（b）則比較不同晶格在各種尺寸下的最大 TEE 值。中間兩張示意圖（c、e）展示平面晶格與環狀晶格的結構，以及研究中用來計算 TEE 的三分區域劃分方式。右下圖（d）則對比不同分割方式下，兩種晶格的 TEE 變化曲線。
這組圖表明：不論晶格形狀或大小，研究團隊提出的方法都能準確捕捉到量子自旋液體的重要拓撲特徵，並能與理論值（虛線 ln(2)）相對照。
他們採用的工具叫時間依賴變分蒙地卡羅法（t-VMC），可以不依賴近似，直接模擬量子態隨時間演化的過程。藉此，他們不僅能重現實驗，還能算出實驗測不到的量，例如「拓撲糾纏熵」。這個數字能幫助判斷一個系統是不是真的進入「拓撲有序」的量子態，還是只是雜亂無章的假象。

研究團隊表示，這項突破讓科學家有機會跨越實驗侷限，探索更多量子物質的可能性，也能幫助設計新的量子裝置。Mauron 博士說：「我們下一步會把這種方法應用到其他量子模擬平台，看看還能發現哪些新的特性。」

這項研究就像給物理學家裝了一副「量子望遠鏡」，讓他們能看見原本在實驗裡摸不著、卻至關重要的拓撲奧祕。相關成果已刊登於《Nature Physics》。