強相互作用對霍爾響應的影響

原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術中心）

霍爾效應源于帶電粒子在磁場中的運動，它對材料的描述具有深遠的影響，其影響遠遠超出了凝聚態(tài)物質的范圍。了解相互作用系統(tǒng)中的這種效應是一個根本性的挑戰(zhàn)，即使對于小磁場也是如此。

基于此，佛羅倫薩大學L. Fallani等人使用原子量子模擬器，在其中追蹤了超冷費米子在由人工磁場穿線的雙足帶中的運動。通過可控淬滅動力學，測量了一系列合成隧道效應和原子相互作用強度的霍爾響應。作者揭示了一種高于交互閾值的通用交互獨立行為，與理論分析一致。達到難以計算的狀態(tài)的能力證明了量子模擬描述強相關的物質拓撲狀態(tài)的能力。

實驗方案

作者報告了在具有強相互作用的超冷費米子的量子模擬器中測量霍爾響應的情況。通過控制粒子之間的排斥力，獲得了在大相互作用強度下預測的普遍響應的實驗證據(jù)。監(jiān)測了線性電勢瞬時猝滅后系統(tǒng)的實時動態(tài)，觀察到Ex和?的聯(lián)合作用觸發(fā)了縱向電流Jx，同時伴隨著系統(tǒng)沿橫向Py的霍爾極化。結果展示了霍爾系統(tǒng)中相互作用的重要性，為研究合成量子物質拓撲相中的強相關效應鋪平了道路。

圖1 實驗方案

測量霍爾效應

作者展示了在特定實驗參數(shù)ty=3.39tx和U=6.56的選擇下，測得的電流、極化和霍爾不平衡與時間t的函數(shù)關系，證實了作者對霍爾響應出現(xiàn)的數(shù)據(jù)的解釋。根據(jù)理論預測，強相互作用的穩(wěn)態(tài)霍爾不平衡預計將達到與U無關的普適值。盡管與理論模型中使用的設置存在差異，但模擬器產生的結果與該通用值一致。

圖2 粒子電流Jx、霍爾極化Py和霍爾不平衡?H的時間演化

測試通用性

為了確定普遍狀態(tài)的開始，作者測量了霍爾不平衡的固定值對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性。作者還證明了方程的通用霍爾響應的相互作用驅動的起源。MFA考慮了有限溫度效應，并允許在實驗和理論之間進行定量比較。與從弱橫向隧道效應到大橫向隧道效應的轉變類似，如實驗數(shù)據(jù)中觀察到的，有限溫度將轉變推向比零溫度DMRG 預測的更大的相互作用強度。

圖3 時間平均霍爾不平衡作為合成隧道效應的函數(shù)

強相互作用對霍爾響應的影響

盡管 MFA 圖有效，但作者強調強相互作用在達到普遍狀態(tài)方面所發(fā)揮的重要且非擾動作用，這從根本上區(qū)別于大規(guī)模極限。作者強調觀察到的效應確實是多體效應，MFA能夠在有限溫度下取得進展。盡管如此，MFA要求對其結果進行重新調整，以定量說明普遍體系，并且在再現(xiàn)大U極化的精細動態(tài)方面具有明顯的局限性。因此，MFA應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)的時間平均霍爾不平衡

審核編輯：湯梓紅