💡这项突破是什么?
近日，南京大学物理学院王雷教授和张琦锋副教授研究团队与北京大学物理学院吕劲教授研究团队合作，提出了一种基于转角石墨烯的‘原子乐高’量子模拟器新架构，并首次在真实固态材料中观测到量子赝临界性。相关研究成果以‘Pseudo-criticality in the quantized two-step melting of a Wigner crystal’为题，于2024年3月25日在线发表在《Nature Communications》（《自然·通讯》）上（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46876-7）。
量子模拟器是量子计算机发展前的重要量子技术，其核心是能够利用可控的量子系统去模拟理解难以计算的复杂量子多体问题。近年来，以二维材料体系为基础构建的固态量子模拟器因其易于集成、电学可调和高可扩展性而备受关注。然而，目前广泛研究的魔角石墨烯系统，存在能带窄但不孤立、且陈数非零等缺陷，阻碍了对其量子模拟潜力的进一步挖掘。因此，开发具有更理想量子模拟平台特性的新固态材料系统，成为该研究领域亟待解决的关键科学问题。
在本工作中，合作团队聚焦于强关联电子系统的量子相变行为研究。量子相变是物质在绝对零度下，通过改变某一物理参量（如电场、磁场、压力等）而发生的相变，其过程伴随着大量涌现量子现象，例如奇异金属、非费米液体行为等，被认为与包括高温超导在内的诸多复杂量子物态有密切联系。在强关联电子系统中，量子相变和量子临界行为的研究对理解高温超导等前沿物理问题具有重要意义。南京大学王雷教授和张琦锋副教授的研究团队长期以来专注于石墨烯等二维材料的电子输运特性研究，尤其是其中的强关联电子态，如摩尔激子、维格纳晶体、分数量子霍尔态等。该团队近年来在二维材料强关联物理研究方面取得了一系列进展，包括首次在石墨烯中观测到一维维格纳晶体的融化和量子临界行为（Nature Physics, 2024）、首次在二维半导体中观测到分数电荷激发的量子干涉现象（Nature Nanotechnology, 2023）等。这些工作为本次研究奠定了坚实基础。同时，合作方北京大学吕劲教授研究团队在计算凝聚态物理领域，尤其是在二维材料电子结构理论方面有深厚积累。理论与实验的紧密合作确保了本研究工作的顺利开展。
本研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划、面上项目、国家优秀青年科学基金、中科院先导B等项目的资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。
在这项工作中，合作团队设计并制备了一种新型的‘原子乐高’量子模拟器：基于手性堆叠的转角双层-双层石墨烯(chiral-stacked twisted double bilayer graphene)（如图1a-c所示，转角0.75°）。该体系具有多条较平的能带，带宽小于10meV，并且随着电场的施加形成陈数为零的孤立平带（如图1f所示），并且拥有简并的能谷-自旋自由度，是SU(4)同位旋扩展哈伯德模型的理想固态量子模拟器。在实验中，合作团队观察到出现在填充数为处的新奇绝缘态电阻峰，对应第二个莫尔能带中每3个超晶格上占据1个空穴（如图1e和2a-b所示）。这些绝缘态具有显著的非线性电流-电压曲线，同时电阻随着温度的变化关系满足Efros-Shklovskii型的变程跃迁模型，并且电阻随着水平磁场施加急剧增大20倍并且在高磁场下饱和（如图2c-g所示）。上述实验结果说明该关联绝缘态在零磁场和高水平磁场下分别为自旋非极化和自旋极化的维格纳晶体。
合作团队发现，在该量子模拟器中，通过改变垂直电场可以连续精准地调控体系中的电子关联强度，从而实现了维格纳晶体的量子融化。与常规的量子相变不同，这类量子融化具有两个不同的量子临界点，并且这两个量子临界点所对应的量子标度行为展现出具有不同临界指数（如图3所示）。同时，两个临界点之间的量子临界区域表现为奇异金属行为，且可以持续到最低温，表明临界中间态的存在。随着水平磁场的施加，维格纳晶体区域变大，量子临界区域变小，两个量子临界点逐渐靠近并交换位置，形成了一个费米液体和维格纳晶体的重叠区域。该重叠区域从最低温一直延续到T*≈5.6K，展现出电阻不随温度变化的特性，说明此时关联长度是不随温度变化的常量，这导致量子临界标度行为的失效。当温度升高至5.6K以上时，体系中的奇异金属行为和量子临界标度性恢复，从而展现出一种新型的量子临界行为：量子赝临界性（如图4所示）。
该‘原子乐高’量子模拟器成功模拟了从高对称SU(4)强关联电子系统中具有临界中间相的量子相变到低对称SU(2)电子系统中弱一阶量子相变的原位演化（图4d），不仅让模拟实现和深入理解具有可调内禀自由度的强关联电子系统成为可能，也为未来开发可高密度集成、高度可调和易于读取的固体量子模拟器迈出重要一步。
图1：手性堆叠0.75°转角双层-双层石墨烯。(a-c) 莫尔超晶格和电子输运器件示意图。(d) 在1.5K温度、200mT垂直磁场和零垂直电场条件下的纵向电阻和霍尔电阻对载流子浓度的依赖关系。（e）电阻随载流子浓度和垂直电场的mapping图。（f）在不同垂直电场下的电子能带结构和陈数计算结果。
图2：维格纳晶体的实验证据。(a) 电阻随载流子浓度和垂直电场的小范围mapping图。（b）不同电场下的电阻随载流子浓度变化关系图，清晰显示在 和 出现的电阻峰。（c-d)在不同的垂直电场和温度下，微分电阻随电流的变化关系。（e）不同磁场下电阻随温度的变化关系。（f-g）电阻随填充数和水平/垂直磁场的mapping图。
图3：零磁场下的量子两步临界性。(a)不同电场下的电阻随温度变化曲线。（b-c）电阻R以及dR/dT随电场和温度变化的mapping图。（d-e)绝缘区域和金属区域的临界标度分析，展示出不同的量子临界点和临界指数。
图4：强水平磁场下的量子赝临界性。(a) 不同电场下的电阻随温度变化曲线，虚线方框内电阻不随温度变化。（b）12特斯拉水平磁场下dR/dT随电场和温度变化的mapping图。（c）选取温度在5.6K之上以及全温度范围时，成功和失败的量子临界标度行为。（d）量子模拟器内禀自由度从SU(4)到SU(2)的连续演化。
