文/陳根

量子材料研究對(duì)推動(dòng)人類(lèi)科技進(jìn)步有著深遠(yuǎn)的影響。所謂量子材料，當(dāng)前比較公認(rèn)的范疇覆蓋了凝聚態(tài)物質(zhì)中的“關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)”。

這類(lèi)材料具有一定的量子關(guān)聯(lián)特征，或者具有特定的量子序，包括超導(dǎo)電性、磁序/鐵性序。這些系統(tǒng)或者說(shuō)材料所表現(xiàn)的性質(zhì)，難以用凝聚態(tài)物理教科書(shū)所涵蓋的單電子理論來(lái)描述。

例如，導(dǎo)電行為偏離了金屬電子氣基本特征的金屬材料、磁性材料、包含有d電子和/或f電子的半導(dǎo)體及絕緣體等電子-電子相互作用不能忽略的材料，都統(tǒng)歸在量子材料范疇內(nèi)。

此外，那些電子性質(zhì)呈現(xiàn)“反?！绷孔有?yīng)的材料也當(dāng)屬此類(lèi)，例如拓?fù)浣^緣體、狄拉克電子系統(tǒng)。那些集體行為呈現(xiàn)量子特征的系統(tǒng)如超冷原子、冷激子、極化子等等體系也可歸于此類(lèi)。毫無(wú)疑問(wèn)，衍生概念是量子材料研究的共同特征。

推而廣之，那些處于研究前沿的凝聚態(tài)和材料科學(xué)領(lǐng)域基本上都有量子材料在扮演重要角色，如超導(dǎo)、磁性、鐵電、光電半導(dǎo)體、催化、儲(chǔ)能、熱電、光伏轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

但是，量子材料的實(shí)現(xiàn)需要超低溫和超高壓的環(huán)境，此時(shí)周?chē)h(huán)境的熱效應(yīng)會(huì)變得很弱，而量子效應(yīng)成為決定物質(zhì)狀態(tài)的主要因素。量子漲落會(huì)誘發(fā)物質(zhì)在不同量子態(tài)之間的相變，包括非超導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)體的相變，這種由量子效應(yīng)而非熱效應(yīng)主導(dǎo)的相變點(diǎn)被稱(chēng)為量子相變點(diǎn)（Quantum Critical Points, QCPs）。

對(duì)于量子相變的研究有助于科學(xué)家們尋找和制造更適合實(shí)際應(yīng)用的量子材料，比如超導(dǎo)體和石墨烯。一直以來(lái)， 科學(xué)家們都利用LGW相變理論作為量子相變研究的基礎(chǔ)。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，一種新型的去禁閉量子相變點(diǎn)（Deconfined Quantum Critical Points, DQCPs）無(wú)法用現(xiàn)有的LGW框架來(lái)解釋。

因此，過(guò)去幾十年里，就是否可以找到能兼容去禁閉量子臨界點(diǎn)和普通的量子臨界點(diǎn)的格點(diǎn)模型，科學(xué)家一直在尋找答案，他們提出了大量的理論和數(shù)值研究，但問(wèn)題仍然未徹底解決。

在這樣的背景下，港大物理學(xué)系博士研究生趙家瑞、嚴(yán)正博士及孟子楊博士通過(guò)對(duì)物質(zhì)量子糾纏的研究，成功找到了一種可能的解決方案。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型和更高效的測(cè)量量子糾纏熵的量子蒙特卡洛算法，通過(guò)這個(gè)強(qiáng)有力的算法，他們成功的精確測(cè)量了DQCP的量子糾纏熵，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與利用傳統(tǒng)LGW框架來(lái)解釋?zhuān)嬖陲@著差異，為科學(xué)家對(duì)量子相變本質(zhì)的理解帶來(lái)重要突破。

研究人員表示，他們的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)啟了對(duì)量子相變一種新的突破性的理解，那就是DQCP不是一種典型的么正共形場(chǎng)論，亦不能用LGW單一理論框架來(lái)解釋。

并且，通過(guò)新型的蒙特卡洛算法，研究人員得以更有效地測(cè)量量子糾纏熵，改變了研究人員對(duì)傳統(tǒng)量子相變理論的理解，在這個(gè)問(wèn)題的研究邁進(jìn)了一大步，也引發(fā)了禁閉量子相變這領(lǐng)域不少深層次的問(wèn)題。