Simulador quântico de Hubbard fermiônico observa transição de fase antiferromagnética

Em um estudo publicado em Naturezauma equipe de pesquisa observou, pela primeira vez, a transição de fase antiferromagnética dentro de um simulador quântico em larga escala do modelo de Hubbard fermiônico (FHM).

Este estudo destaca as vantagens da simulação quântica. Ele marca um primeiro passo importante para obter o diagrama de fase de baixa temperatura do FHM e entender o papel do magnetismo quântico no mecanismo de supercondutividade de alta temperatura. A equipe foi liderada pelo Prof. Pan Jianwei, Prof. Chen Yuao e Prof. Yao Xingcan da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências.

Materiais quânticos fortemente correlacionados, como supercondutores de alta temperatura, são de importância científica e têm potenciais benefícios econômicos. No entanto, os mecanismos físicos subjacentes a esses materiais permanecem obscuros, apresentando desafios para sua preparação e aplicação em larga escala.

O FHM, uma representação simplificada dos comportamentos dos elétrons em uma rede, captura uma ampla gama de aspectos da física relacionados a correlações fortes, semelhantes àquelas observadas em materiais quânticos, e, portanto, acredita-se que possa oferecer soluções para a compreensão do mecanismo da supercondutividade em altas temperaturas.

O estudo de FHM enfrenta desafios. Não há solução analítica exata para esse modelo em duas e três dimensões e, devido à alta complexidade computacional, mesmo os métodos numéricos mais avançados podem explorar apenas espaços de parâmetros limitados. Além disso, estudos teóricos sugerem que mesmo um computador quântico digital universal teria dificuldade para resolver esse modelo com precisão.

É amplamente aceito que a simulação quântica, empregando átomos fermiônicos ultrafrios em redes ópticas, pode ser a chave para mapear o diagrama de fase de baixa temperatura do FHM. Para esse fim, realizar a transição de fase antiferromagnética e atingir o estado fundamental do FHM na metade do enchimento constituem os passos mais importantes.

Tal conquista validaria duas capacidades principais do simulador quântico: o estabelecimento de uma rede óptica espacialmente homogênea em larga escala para parâmetros de Hubbard uniformes e a manutenção de uma temperatura do sistema significativamente abaixo da temperatura de Néel, a temperatura de transição de fase antiferromagnética, ambas essenciais para explorar o papel das flutuações magnéticas quânticas no mecanismo de supercondutividade de alta temperatura.

No entanto, a dificuldade em resfriar átomos fermiônicos e a não homogeneidade introduzida por um laser de rede de perfil gaussiano padrão têm dificultado a realização da transição de fase antiferromagnética em experimentos de simulação quântica anteriores. Para abordar esses desafios, a equipe, com base em suas realizações anteriores na preparação e investigação de gases Fermi homogêneos fortemente interagindo em um potencial de caixa, desenvolveu um simulador quântico avançado combinando a geração de um gás Fermi homogêneo de baixa temperatura em uma armadilha de caixa com a demonstração de uma rede óptica de topo plano com potenciais de sítio uniformes.

Este simulador quântico contém aproximadamente 800.000 locais de rede, cerca de quatro ordens de magnitude maiores do que os experimentos atuais com várias dezenas de locais, e apresenta parâmetros hamiltonianos uniformes com temperaturas significativamente abaixo da temperatura de Néel.

Aproveitando essa configuração, a equipe ajustou precisamente a força de interação, a temperatura e a concentração de dopagem para se aproximarem de seus respectivos valores críticos e observou diretamente evidências conclusivas da transição de fase antiferromagnética, ou seja, a divergência da lei de potência dos fatores de estrutura de spin, com um expoente crítico de 1,396 da universalidade de Heisenberg.

Este trabalho avança a compreensão do magnetismo quântico e estabelece a base para resolver ainda mais o FHM e obter seu diagrama de fase de baixa temperatura. Notavelmente, os resultados experimentais que se desviam da condição de meio-preenchimento já superaram as capacidades da computação clássica atual, demonstrando vantagens da simulação quântica no tratamento de problemas científicos importantes.