強(qiáng)相互作用對(duì)霍爾響應(yīng)的影響

原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）

霍爾效應(yīng)源于帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，它對(duì)材料的描述具有深遠(yuǎn)的影響，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了凝聚態(tài)物質(zhì)的范圍。了解相互作用系統(tǒng)中的這種效應(yīng)是一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)，即使對(duì)于小磁場(chǎng)也是如此。

基于此，佛羅倫薩大學(xué)L. Fallani等人使用原子量子模擬器，在其中追蹤了超冷費(fèi)米子在由人工磁場(chǎng)穿線的雙足帶中的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)可控淬滅動(dòng)力學(xué)，測(cè)量了一系列合成隧道效應(yīng)和原子相互作用強(qiáng)度的霍爾響應(yīng)。作者揭示了一種高于交互閾值的通用交互獨(dú)立行為，與理論分析一致。達(dá)到難以計(jì)算的狀態(tài)的能力證明了量子模擬描述強(qiáng)相關(guān)的物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)的能力。

實(shí)驗(yàn)方案

作者報(bào)告了在具有強(qiáng)相互作用的超冷費(fèi)米子的量子模擬器中測(cè)量霍爾響應(yīng)的情況。通過(guò)控制粒子之間的排斥力，獲得了在大相互作用強(qiáng)度下預(yù)測(cè)的普遍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。監(jiān)測(cè)了線性電勢(shì)瞬時(shí)猝滅后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，觀察到Ex和?的聯(lián)合作用觸發(fā)了縱向電流Jx，同時(shí)伴隨著系統(tǒng)沿橫向Py的霍爾極化。結(jié)果展示了霍爾系統(tǒng)中相互作用的重要性，為研究合成量子物質(zhì)拓?fù)湎嘀械膹?qiáng)相關(guān)效應(yīng)鋪平了道路。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)量霍爾效應(yīng)

作者展示了在特定實(shí)驗(yàn)參數(shù)ty=3.39tx和U=6.56的選擇下，測(cè)得的電流、極化和霍爾不平衡與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，證實(shí)了作者對(duì)霍爾響應(yīng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)的解釋。根據(jù)理論預(yù)測(cè)，強(qiáng)相互作用的穩(wěn)態(tài)霍爾不平衡預(yù)計(jì)將達(dá)到與U無(wú)關(guān)的普適值。盡管與理論模型中使用的設(shè)置存在差異，但模擬器產(chǎn)生的結(jié)果與該通用值一致。

圖2 粒子電流Jx、霍爾極化Py和霍爾不平衡?H的時(shí)間演化

測(cè)試通用性

為了確定普遍狀態(tài)的開始，作者測(cè)量了霍爾不平衡的固定值對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴性。作者還證明了方程的通用霍爾響應(yīng)的相互作用驅(qū)動(dòng)的起源。MFA考慮了有限溫度效應(yīng)，并允許在實(shí)驗(yàn)和理論之間進(jìn)行定量比較。與從弱橫向隧道效應(yīng)到大橫向隧道效應(yīng)的轉(zhuǎn)變類似，如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中觀察到的，有限溫度將轉(zhuǎn)變推向比零溫度DMRG 預(yù)測(cè)的更大的相互作用強(qiáng)度。

圖3 時(shí)間平均霍爾不平衡作為合成隧道效應(yīng)的函數(shù)

強(qiáng)相互作用對(duì)霍爾響應(yīng)的影響

盡管 MFA 圖有效，但作者強(qiáng)調(diào)強(qiáng)相互作用在達(dá)到普遍狀態(tài)方面所發(fā)揮的重要且非擾動(dòng)作用，這從根本上區(qū)別于大規(guī)模極限。作者強(qiáng)調(diào)觀察到的效應(yīng)確實(shí)是多體效應(yīng)，MFA能夠在有限溫度下取得進(jìn)展。盡管如此，MFA要求對(duì)其結(jié)果進(jìn)行重新調(diào)整，以定量說(shuō)明普遍體系，并且在再現(xiàn)大U極化的精細(xì)動(dòng)態(tài)方面具有明顯的局限性。因此，MFA應(yīng)該輔之以更完整但更困難、更精確的有限溫度研究。

圖4 作為原子相互作用函數(shù)的時(shí)間平均霍爾不平衡

審核編輯：湯梓紅