破解30年高溫超導理論模型 中山大學研究登Science

圖說:國立中山大學物理系助理教授鍾佳民與美、德等學術機構合組跨國研究團隊,成功使過去30年來,全球科學家無解的高溫超導體理論模型得到確定答案,獲登世界權威期刊「科學」(Science)。

高溫超導體理論模型研究重大突破!國立中山大學物理系助理教授鍾佳民與美、德等學術機構合組跨國研究團隊,以數值方法模擬計算高溫超導體理論模型,精準模擬預測實驗結果,成功使過去30年來,全球科學家無解的高溫超導體理論模型得到確定答案,獲登世界權威期刊「科學」(Science)。

中山大學物理系助理教授鍾佳民強調,超導體是電阻為零的導體,在極低溫下才會產生此種特性,而高溫超導體則是在相較傳統超導體溫度較高、約攝氏零下200度左右時可存在。高溫超導自1986年被發現以來,能否實現室溫下的超導一直是物理學家追求的目標。數十年來,科學家以各種方式計算高溫超導低能量態理論機制,卻因系統關聯性與量子擾動強烈、低溫時低能量態互相競爭等偏差而仍無法參透。

由於數值方法的發展,為高溫超導的理論研究提供了重要的動力。研究團隊採用強關聯系統的數值方法,計算高溫超導模型的低溫態,突破以往限制,提出確切答案,並解釋其理論機制,使得在凝態物理界廣泛研究的重要難題上前進了關鍵的一大步。鍾佳民指出,強關聯系統的數值方法除凝態系統外,還可應用在高能物理、量子化學系統或生物系統上,為研究領域開闢創新途徑,對於理論物理的推進發展意義非凡。

鍾佳民進一步解釋,此模型建構研究的重要性在於,科學家終於有能力精確了解超導模型的低溫性質,得以進一步洞悉高溫超導的理論機制;理論模型計算得到的結果與實驗上的觀察相符,有助於後續高溫超導的應用。鍾佳民表示,古典電腦與量子電腦演算法扮演著相輔相成的角色,可互相修正進步;在未來研究設計上,可使用結合量子電腦和古典電腦的混合計算,在相當程度上幫助複雜系統研究,如核磁共振等高溫超導,以及量子電腦計算與機器學習等數值建構模型等,提供理論物理參考基礎。

研究團隊指出,此項研究結合量子蒙地卡羅(quantum Monte Carlo)與密度矩陣重整化群(density matrix renormalization group)的數值方法,計算了次近鄰躍遷的哈伯模型(Hubbard model)基態,在電子與電洞的參雜下都發現了超導態,其超導序與參雜間的關係大致符合實驗對於溫度的相圖。基於張量網路(tensor network)的數值方法發展迅速,若能計算如單模激發譜(single-mode excitation spectrum)和電導率等與實驗高度相關的物理量,將使理論能進一步解釋實驗觀察到的現象。

跨國研究團隊成員還包括美國Flatiron Institute教授Shiwei Zhang、加利福尼亞大學爾灣分校教授Steven White、以及德國慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universität)教授Ulrich Schollwöck等人。此篇研究為鍾佳民在2017年發表論文登上科學期刊(Science)後,與相關研究者繼續深度合作,再度榮獲刊登。

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