电子晶体如何通过“量子融化”过程转变为电子液体？早在 1969 年，前苏联的理论物理学家就曾预言，在这个过程中存在一种“既不属于电子晶体、也不属于费米液体的中间态”。
之后的半个世纪里，许多理论物理学家和实验物理学家不断地研究该问题，但仍未得到清晰的答案。终其原因，科学家们还尚未完全了解固体中电子的复杂量子行为。
这就需要一种量子模拟器，类似于用飞行模拟器让人“身临其境”感受驾驶飞机时面临的各种情况。近期，南京大学缪峰团队通过“原子乐高”量子模拟器真实地模拟了一种特殊的电子晶体态，实现了其量子融化过程的可控演化。
他们首次在实验上清晰地展示了电子晶体在量子融化的过程中产生的“中间态”，为深入理解电子晶体的量子融化过程提供了关键性证据。同期 Nature 发表的专题报道对该研究评价道：“该研究提供了一个平台，在该平台中，可以通过调整最简单的模拟器，来展示复杂的量子相变[1]。”
该量子模拟器的原始组成单元是两个双层石墨烯，当研究人员将这两个双层石墨烯堆叠在一起时，可以按照需求定制成特定的角度，这与“搭积木”的过程相似。
最终，他们在 180°+0.75° 这个“神奇的角度”获得了非常特殊的电子性质，形成了电子晶体，并且实现了它的可控量子融化。缪峰指出：“这些新的物理性质在原来的双层石墨烯中并不具备，因此实现了物性上 1+1>2 的效果。”
图丨相关论文（来源：Nature）
近日，相关论文以《同位旋扩展哈伯德模型模拟器中的可调量子临界性》（Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator）为题发表在 Nature 上[2]。
南京大学物理学院缪峰教授与南京理工大学理学院程斌教授为该论文的共同通讯作者，南京大学物理学院博士生李乔为论文的第一作者。
固态量子模拟器首次实现内禀自由度连续可调
据介绍，将二维材料定制化构筑成异质结器件被称为“原子乐高”。在该团队探索“中间态”的过程中，“原子乐高”的工艺方法发挥了关键性作用。
利用固态量子模拟器，该团队第一次看到“量子两步临界性”和“量子赝临界性”等量子临界行为。那么，“原子乐高”量子模拟器有怎样的优势呢？
他们所构筑的量子模拟器具有集成密度高、可调度高和易于读取的特点。首先，量子模拟器是一个固态的器件，并且其基本组成单元为二维材料，具有原子级的厚度。因此，量子模拟器在器件的高密度集成方面具有天然的优势。
其次，得益于二维材料易于被调控的特点，该量子模拟器利用调整垂直电场的方式，来调控体系中电子之间的排斥力，从而可控实现完整的量子融化过程。
缪峰表示：“该固态量子模拟器突破了原本内禀自由度不能连续调控的限制，其通过施加水平磁场将体系的内禀自由度，从同位旋的 SU（4）转变为常规自旋的 SU（2），体现了模拟器的高度可调性。”
最后，该固态模拟器还适用多种读取物态信息的手段。基于二维材料的固态模拟器所具备的独特优势，该团队在实验中利用了电学输运的方式，未来可以施加光学、扫描隧道显微镜、角分辨光电子谱等探测手段。
图丨缪峰（来源：缪峰）
据悉，该研究共经历三年多时间，团队成员一路克服困难“过关斩将”才得以实现最终的结果。其中，最大的挑战是确定两个双层石墨烯之间的转角，并让其保持稳定。
在研究的最初阶段，该团队将制备器件的转角选定在 1.1°-1.3°。然后，再慢慢地减小角度，直到终于看到了他们所期待看到的电子晶体态。
实际上，早在 1934 年，匈牙利物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）就阐述了“电子晶体态（维格纳晶体）”的概念。
在电子体系中，当电子之间的相互作用较弱时，电子可自由地移动，形成电子液体。而当电子之间相互排斥力足够强时，电子会自发地固定在空间中不动，从而形成电子晶体。
在实验过程中他们还发现，随着角度越来越小，两个双层石墨烯之间也越来越容易滑移，直接偏离其设定的角度。因此，他们尝试了各种改进工艺的方法，从而避免滑移的出现。
“通过不停地改变实验中的参数和调整两个石墨烯之间的角度，我们前后花了两年多的时间，来优化工艺和探索角度，并最终克服了这个困难。”程斌说。
图丨手性堆叠 0.75° 转角双层-双层石墨烯（来源：Nature）
其实，当该团队确定 180°+0.75° 这个“神奇的角度”时，已经观察到一些非常有趣的结果，但他们并没有急于将成果发表，而是仔细地进行了求证。
先是与南京大学理论物理方向的王强华教授、王达副教授进行了深入交流，还找到了对二维材料异质结体系很熟悉的上海科技大学刘健鹏研究员，寻求理论和计算上的支持。
在研究后期，香港大学王晨杰助理教授在关于赝临界行为部分的理解也做出了重要贡献，他们多用了近半年的时间做了大量的对照实验，最终确认了结果。这与缪峰的科学理念密不可分，他表示：“在实验中确定任何新现象的发现，都需要非常严谨。”
有望为准确预测复杂系统的演化规律提供帮助
“计算机处理速度是否有上限”，这是在 2021 年 4 月，Science 公布的 125 个科学问题之一。
实际上，最先进的计算机算力也会有“心有余而力不足”的时刻，例如其无法实现对那些演化规律极为繁杂的系统进行精确计算与预测。这其中既包括人们比较熟悉的人类大脑、大气、金融等，也包括日常生活中不容易碰到、但学术价值极高的系统，例如多电子构成的关联体系。
缪峰表示：“在我看来，要突破传统计算机的瓶颈，找到实现未来计算的可行途径，最终影响产业的技术发展，需要找到合适的材料体系和可利用的物理效应、设计新原理的器件结构、构建基于新器件的硬件系统。”
图丨维格纳晶体的实验证据（来源：Nature）
而量子模拟器技术的出现有望为理解复杂系统的性质，并助力准确预测其演化规律。例如，利用量子模拟器对生物神经网络、化学反应系统等复杂系统进行模拟，为类脑人工智能技术开发、新药研发等领域的预测和应用提供帮助。
缪峰指出，量子模拟器通过在实验上模拟复杂系统，能够直接获得这些复杂系统的基本性质和演化规律。这也为面向诸多复杂系统，在不同应用场景下可行的“未来计算”技术提供新路径。
图丨零磁场下的量子两步临界性（来源：Nature）
固态量子模拟器想实现落地，还面临的几个重要的技术难题，包括大面积、高质量材料样品的生长、转移过程中精准的角度控制、器件阵列的构筑和关键工艺，以及附属电路的设计等。
具体到应用，从原子“积木”到“建筑”的实现还有多少差距呢？据团队介绍，其主要挑战包括材料样品的关键生长工艺、原型器件及阵列的制备工艺、附属电路的设计、具体应用方案等。
第一个十年完满收官，第二个十年整装待发
2012 年，是缪峰学术生涯的重要转折点。这一年，他入选了国家“海外高层次青年人才计划”。与此同时，未来计算的探索也刚刚拉开序幕。在他看来，为祖国认真做点事情，会让人生更加有意义。因此，他选择回国在南京大学物理学院任教，并成立自己的课题组，如今已是他回国的第十年。
缪峰的学术背景结合了学术界的凝聚态物理研究和工业界的信息器件研究，这帮助他较为准确地了解产业发展的需求，与此同时，也能够从基础的物理原理出发，结合凝聚态物理领域前沿，寻求解决科学与工程问题的创新方案。
图丨缪峰团队（来源：缪峰）
跨学科交叉以及全链条的创新模式具有极强的挑战性，这也是缪峰与其团队正在努力的方向。
他们致力于物理、材料、电子、生物等领域的交叉融合，在二维材料的生长制备工艺、基础物性探索、新原理器件研发、器件阵列集成、以及系统层面的功能展示等方面，通过探索积累了丰富的经验，这也为未来实现可高密度集成、高度可调和易于读取固态量子模拟器的落地打下必要的研究基础。
无独有偶，缪峰团队在之前的研究中，也曾在器件功能上实现 1+1>2 的效果。例如在 2020 年，他们用“原子乐高”构建出一种类脑视觉传感器，把二硒化钨、氮化硼等性质各不相同的二维材料按照特定的顺序堆垛，制作为垂直异质结器件。实现了对视网膜的垂直分层结构和不同层细胞功能的模拟，这超越了单个二维材料所能构筑的器件功能。
未来，缪峰希望与领域同仁们继续共同努力构筑“原子乐高”，让开发可高密度集成、高度可调和易于读取的“原子乐高”固态量子模拟器早日成为可能。
参考资料：
1.www.nature.com/articles/s41586-022-05106-0
2.Li, Q., Cheng, B., Chen, M. et al. Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator. Nature609, 479–484 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05106-0
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