Hubbard models with ultracold shielded molecules in optical lattices

在探索自然界中最复杂的材料（例如能够无电阻导电的超导体）的过程中，物理学家经常转向一种被称为“哈伯德模型”（Hubbard model）的简化思维模型。该模型设想电子在固定位置的网格中跳跃，它们之间仅在落在同一个位置时才会发生相互作用。虽然这种图景捕捉到了许多固体中神秘行为的本质，但现实世界往往更加复杂。在许多材料中，粒子不仅在接触时才发生相互作用；它们还能感受到来自远处的存在，从而创造出一种简单的模型无法描述的长程力网络。为了研究这些更丰富的相互作用，科学家们几十年来一直致力于利用被捕获在光网格中的超冷原子来构建“量子模拟器”。这些模拟器允许研究人员调节粒子的运动和相互作用方式，为那些计算机难以计算的物理现象提供了一个窗口。然而，一个主要的障碍仍然存在：实验中使用的粒子通常有一个致命缺陷。当两个粒子相遇时，它们经常会发生碰撞并消失，从而在研究完成之前就破坏了脆弱的量子态。

来自拉德堡大学和莱斯大学的研究人员的一项新研究提出了一种解决该问题的方法，即使用一种不同种类的粒子：经过特殊屏蔽以防止被破坏的超冷分子。这些分子被一层由微波场创造的保护屏障所包裹，即使在碰撞时也能防止它们发生反应。研究人员旨在确定这些受屏蔽的分子是否可以被用来构建一个更先进版本的哈伯德模型——一个包含粒子在相邻网格点而非仅仅在同一位置进行相互作用的模型。他们发现，与早期的悲观观点相反，这些分子并不只是表现为禁止两个粒子共享空间的坚硬、不可穿透的球体。相反，通过仔细调节光网格的深度和微波场的强度，科学家们证明了他们可以独立控制分子在同一位置时的排斥强度与在相邻位置时的排斥强度。这种控制水平使他们能够创建一个高度可调的系统，其中相互作用可以变得强或弱、吸引或排斥，从而为以空前的精度模拟复杂的量子材料打开了大门。

核心挑战在于分子本身的性质。与以往实验中使用的简单原子不同，这些分子体积较大，并拥有强大的内部电场。当两个这样的分子靠近时，它们会感受到一种强大的排斥力，这种力量就像一个硬壳，阻止它们靠得太近。过去，物理学家认为这个壳层如此强大且巨大，以至于会完全阻止任何两个分子占据同一个网格位点，从而将系统锁定在一种不允许双占用的状态。这将使这些分子对于研究粒子在同一位置相互作用的丰富物理现象变得毫无用处。然而，这项研究中的研究人员进行了详细的计算，以观察这一假设是否成立。他们对被捕获在三维光网格中的两个受屏蔽分子进行了建模，通过求解基本的运动方程，来精确观察这些分子在不同条件下的行为。

他们的计算揭示了令人惊讶的灵活性。研究人员发现，尽管这种强大的排斥力非常显著，但它并不是一堵不可逾越的墙。通过调节创建网格的激光强度，他们可以改变分子的束缚紧密度。同时，通过调节微波场，他们可以控制分子之间的长程力的强度和方向。关键的发现是，这两种控制手段是相互独立的。科学家们展示了他们可以通过调节，使位于同一位置的分子间的相互作用从强排斥变为接近于零甚至轻微吸引，而无需改变相邻位置分子间的相互作用。这意味着他们可以创造出这样一种情景：分子可以根据意愿自由共享空间，或者被迫分开，同时还能保持特定的、可调的邻近力。这种独立控制能力是一个此前被认为在这些系统中无法实现的强大工具。

调节这些相互作用的能力为观察量子材料提供了一种新的视角，特别是那些经过掺杂的材料。在许多高温超导体中，最有趣的物理现象并非发生在纯净材料中，而是当加入或移除一些额外的粒子，从而在网格中产生“空穴”时。理解这些空穴如何相互作用对于解开超导性的谜团至关重要，但这在测量上是极其困难的。在标准的量子模拟器中，即使底层的相互作用不同，空穴看起来也可能是一模一样的，因为观测工具只能看到粒子在哪里，而看不到它们如何感知彼此。本研究中的研究人员提出了一种他们称之为“相互作用显微镜”的新型诊断工具。通过利用这些受屏蔽分子之间可调的长程力，他们展示了可以让不同类型的空穴相互作用呈现出明显的区别。

为了演示这一点，团队模拟了一个在分子网格中存在两个空穴的情景。他们考虑了关于这些空穴如何相互吸引或排斥的几种不同的理论模型。在标准观测中，由于这些模型的表现几乎完全相同，导致在特定距离下发现空穴的概率看起来几乎没有区别，从而无法区分它们。然而，当研究人员开启可调的长程相互作用时，空穴的行为发生了取决于特定模型的变化。长程力就像一个探针，放大了模型之间的细微差别，直到这些差别变得清晰可见。模拟表明，这种方法可以高清晰度地分辨不同的相互作用类型，甚至在当前实验可实现的温度下也是如此。这表明，受屏蔽的分子最终可以让科学家们测试关于超导机制的竞争性理论，而这是一个几十年来悬而未决的问题。

该研究还讨论了运行这些实验所需的实际条件。由于分子之间的排斥力非常强，研究人员发现，在相对较浅的光网格中可以获得最好的结果。在这些浅网格中，分子可以在位点之间更容易地移动，这是一个显著的优势。在量子模拟中，达到相对于运动能量的最低可能温度通常是最大的瓶颈。通过在运动速度较快的浅网格中工作，系统比在运动缓慢的深网格中更容易达到所需低温度状态。这一实际见解意味着，复杂的强相互作用分子物理学可以通过现有技术进行研究，而无需等待未来在冷却或捕获技术上的突破。

研究人员通过将他们复杂的计算与过去使用的简单近似法进行对比，验证了他们的发现。他们表明，对于这些大型受屏蔽分子，以往将粒子视为点状物体的计算方法完全失效。这些分子体积太大，且其相互作用具有长程性，使得这些简便方法无法奏效。相反，团队必须求解完整的量子力学问题，考虑到分子的详细形状以及它们相互作用的具体方式。他们的结果证实，受屏蔽的分子并不表现为简单的硬球。相反，它们形成了一个灵活、可调的系统，实验者可以编写相互作用的规则。这项工作改变了分子量子模拟的前景，将这些粒子从一种脆弱且受限的视角，转变为一个用于探索凝聚态物理最深奥奥秘的强大且多功能的平台。