近日，大湾区大学物质科学学院龚寿书教授与北京航空航天大学博士研究生卢欣、美国加州大学圣巴巴拉分校Kavli理论物理研究所张嘉鑫博士、美国科罗拉多大学Boulder分校Lukas Homeier博士、美国加州州立大学Donna Sheng教授、清华大学高等研究院翁征宇教授合作，在掺杂莫特反铁磁体的研究中取得有趣的新进展。研究团队利用大规模高精度的密度矩阵重正化群数值计算方法，系统研究了近期在Rydberg量子模拟器平台上实现的玻色型t-J模型，预言了六种不同的量子物相，其中多个物相超越了传统的玻色系统超流范式。研究进一步提出了具体的实验方案，可在Rydberg原子阵列中实现对跃迁符号的有效调控，并明确了模型参数与实验可实现区域的对应关系。该工作揭示了掺杂莫特反铁磁体中相互竞争与交织的有序量子态，这些现象背后的物理过程与高温超导机制中的核心问题密切相关，充分反映了空穴与自旋背景之间复杂的阻挫相互作用。相关成果为未来基于Rydberg阵列的量子模拟实验奠定了一定的理论基础。
研究背景：
建立对掺杂反铁磁莫特绝缘体的全面理解，是现代凝聚态物理的核心挑战之一，并与非常规超导体的微观机理研究密切相关。作为描述此类体系核心物理的基本理论框架，费米型t-J模型在过去的三十年间得到了广泛而深入的研究。通过大规模无偏差数值模拟，人们在正方晶格费米型t-J模型的研究中取得了显著进展。尽管部分结论仍然存在争议，但目前已形成较为广泛的共识，即次近邻跃迁 t' 在超导的形成中起着关键作用。
与数值研究并行发展的是，基于光晶格和Rydberg 原子阵列的冷原子量子模拟器已成为探索掺杂莫特反铁磁体的重要平台。近期，具有反铁磁相互作用的玻色型 t-J 模型在包含三个高激发原子态的 Rydberg 原子阵列平台中被提出并成功实现。在该体系中，原子间的偶极-偶极相互作用与范德瓦尔斯相互作用自然映射为包含硬核玻色子空穴掺杂和反铁磁相互作用的t-t'-J模型。此外，研究者还在多种替代体系中探索了该模型的实现途径，例如具有自旋依赖相互作用的 Bose-Hubbard 体系、交错外场体系以及负温度态等。
值得关注的是，尽管玻色子与费米子在统计性质上存在根本差异，玻色型t-J模型在物理行为上与费米型体系仍表现出高度相似性，包括超导态和条纹有序态的形成。然而，当前基于Rydberg原子阵列的实验实现仍局限于t' > 0的参数区域，这在很大程度上限制了对全局量子相图的系统探索，特别是对不同参数区域中相互竞争与交织的量子有序态的深入研究。
研究成果：
为克服当前实验实现所面临的局限与挑战，合作小组利用大规模密度矩阵重正化群方法，对正方晶格上的玻色型 t-t'-J 模型进行了系统深入的研究，揭示了一系列丰富的非常规量子相。这些物相的性质显著偏离了传统公度动量凝聚的简单超流范式，其中包括具有空间调制配对结构的配对密度波相（PDW）、同时缺乏单空穴与空穴对相位相干性的无序配对密度波相（dPDW），以及一种具有涌现非公度动量凝聚与巡游磁性的奇异超流相（SF*+IM）。值得注意的是，在t'/t > 0的参数区间，观测到一种相分离现象：空穴趋于聚集并形成铁磁畴区，与未掺杂的反铁磁区域交替分布，这一现象与当前 Rydberg 实验中观测到的行为高度吻合。进一步，提出了一个基于 Rydberg 原子阵列的实现方案，可在掺杂莫特反铁磁体中同时实现 t' > 0 和 t' < 0 两种参数区间的量子模拟，为 Rydberg 原子阵列平台上的相关实验探索奠定了理论基础。
相图与Rydberg实验方案。(a) 准一维4腿格子上玻色型 t-t'-J 模型的基态相图。在-0.3 ≤ t'/t ≤ 0.3和1/24 ≤ δ ≤ 1/3 的参数范围内，我们识别出以下量子相：在t' ≥ 0 一侧，存在相分离（PS）和超流与面内铁磁共存的 SF+xy-FM 相；在t'≤ 0 一侧，存在超流与反铁磁共存的 SF+AFM 相，以及非公度超流与巡游磁性共存的 SF*+IM 相；在 SF+AFM 相与 SF*+IM 相之间，夹有配对密度波与反铁磁共存的 PDW+AFM 相及其 dPDW+AFM 相；在δ = 1/4 的特殊掺杂下，则出现键序波（BOW）相。图中符号标记了具体的计算参数点。(b) 硬核玻色型空穴掺杂的 t-t'-J模型可通过三个Rydberg能级来实现。隧穿项源于|S ⟩ 态与|P⟩ 态之间的偶极-偶极交换相互作用。在不影响自旋相互作用的前提下，我们可以自由选择|P⟩ 态（空占态）的磁能级，通过规范变换实现隧穿系数t'/t两种符号的调控。
相关成果以“Competing and Intertwined Orders in Boson-Doped Mott Antiferromagnets”为题，发表于学术期刊Physical Review Letters。龚寿书得到了国家自然科学基金（项目批准号：12534009、12274014）、广东省量子科学战略计划（项目批准号：GDZX2501006）、广东省普通高校重点领域专项（项目批准号：2023ZDZX3054）以及东莞市先进材料人工智能设计重点实验室的资助。计算也得到了大湾区大学松山湖高性能计算中心的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/5zz3-l9tn
