" 除非有一個外星文明現在也正在做這樣的實驗，否則在任何時間只要這項實驗在運行，它就是在制造宇宙中最寒冷的費米子。" 一項新研究的科學家這樣介紹他們的成果。

物理學家利用溫度約是寒冷的星際空間的 30 億分之一的原子，打開了一個通往量子磁性的未知領域的大門。研究已發表在《自然 · 物理》上。

突破性量子模擬器觀察到的復雜磁相關的藝術家暢想圖。實驗中的模擬器使用了比深空還要冷 30 億倍的鐿原子。不同顏色代表每個原子的 6 種可能的自旋態。模擬器使用了多達 30 萬個原子，讓物理學家能夠直接觀察粒子在量子磁體中的相互作用，這種復雜性遠遠超出了最強大的超級計算機的計算能力。（圖／Ella Maru Studio, Courtesy of K. Hazzard, Rice University）

超冷原子的量子特性

費米子并非罕見的粒子，這是一類自旋為半整數的粒子，電子、重子還有許多原子都屬于費米子，它們被認為是構成所有物質的基石。

與電子和光子一樣，原子同樣受到量子動力學定律的制約，但它們的量子行為只有在被冷卻到接近絕對零度的溫度時才會顯現出來。絕對零度是所有運動都停止的可望不可即的溫度。

幾十年來，物理學家一直使用激光冷卻來研究超冷原子的量子特性。他們可以將原子限制在一個小型真空玻璃或金屬盒中，來自激光束的推動會讓最具能量的原子釋放出一些能量，這就好像對著一杯熱茶吹氣，從而降低了整體的溫度。

努力變得這么冷的 " 回報 " 是，物理性質開始改變，它變得更 " 量子 " 了，讓科學家觀察到新的現象。也就是說，用激光冷卻原子，并將它們的運動限制在光學格、一維、二維或三維的光通道中，這些光通道就可以作為量子模擬器，來解決傳統計算機無法解決的復雜問題。

探索 SU ( 6 ) 哈伯德模型

在這項研究中，團隊使用激光，將費米子（鐿原子）冷卻在絕對零度以上大約十億分之一的范圍內。這是極低的溫度，甚至寒冷的、被大爆炸的余輝所溫暖的星際空間，都比它要溫暖 30 億倍。

他們使用光學格來模擬哈伯德模型，這是理論物理學家約翰 · 哈伯德（John Hubbard）在 1963 年創建的一個常用的量子模型。

簡單來說，哈伯德模型旨在捕捉最小的成分，從而了解固體材料為何成為金屬、絕緣體、磁體或超導體。哈伯德模型常被用來研究材料的磁性和超導行為，特別是那些電子之間的相互作用產生集體行為的材料，它們有點像在擁擠的體育場中表演 " 人浪 " 歡呼的體育迷的集體相互作用。

模擬的哈伯德模型具有被稱為SU ( N ) 的特殊對稱性，其中 SU 代表特殊酉群，這是一種描述對稱性的數學方法，而 N 則表示模型中粒子的可能自旋態。N 的值越大，模型的對稱性和它所描述的磁性行為的復雜性就越高。

鐿原子有 6 種可能的自旋態，研究中的量子模擬器首次揭示了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中磁相關。他們首次觀察到了 SU ( 6 ) 哈伯德模型中的粒子配位。這種配位是短程的，但隨著粒子被進一步冷卻，更微妙、更奇特的物質相也會出現。這些奇異相的一個有趣之處是，它們沒有明顯的模式，但也不是隨機的。

實驗裝置示意圖。 ( a ) SU ( 6 ) 哈伯德系統在三維光學格的各種配置中實現。自旋成分由核自旋投影量子數 mI 標示。 ( b ) 實驗示意圖。在準備好平衡狀態和冷卻所有隧穿過程后，一個自旋相關的勢梯度被應用來驅動斯萊特型軌道。隨后，每兩個相鄰的格位點被合并成檢測格的單個位點，接著進行光締結，移除處于反對稱自旋態的原子對。（圖／Taie, S. et al., 2022）

實驗有能力在三維格中捕獲多達 30 萬個原子，這種復雜程度是無法在計算機上進行計算的。作為對比，即使是目前最強大的超級計算機，想要準確計算 SU ( 6 ) 哈伯德模型中哪怕是十幾個粒子的行為，它們也力所不能及。

發展理論工具

實驗幫助物理學家開始探索 SU ( N ) 哈伯德模型的物理學，它提供了一個寶貴的機會，通過觀察這些復雜的量子系統的運行情況，從而了解它們。這項研究正是朝著這個方向邁出的重要一步。

由于情況非常復雜，物理學家還沒有掌握能夠完全測量實驗中粒子行為的工具。理論學家也正在進行創造相關理論工具的研究。這些系統相當奇特和特殊，研究人員希望通過研究和了解它們，幫助確定真實材料中所需的關鍵成分。