使用原子点阵列的大规模模拟类量子模拟

在硅中构建微型量子实验室

许多现代材料中最奇特且最有用的行为——例如高温超导或奇异的磁性——来源于电子之间的强相互作用。这些效应极其难以计算，即便在当今的超级计算机上也是如此。本文报道了一种在实验室研究此类复杂量子行为的新方法：通过由1.5万个原子尺度“量子点”组成的高度可控硅基平台，为电子构建一个可控的游乐场。这是朝着使用工程化芯片而不仅仅依赖方程，来理解和设计未来量子材料的一步。

为电子设计的游乐场

研究人员从超洁净的硅表面开始，使用扫描隧道显微镜——一种可以移动和去除单个原子的工具——在几纳米甚至更小尺度上绘制图案。在这些图案中他们植入磷原子，磷原子提供电子并形成量子点：电子可以驻留并在点间跳跃的微小“岛”。通过以亚纳米级精度重复这一过程，他们创建出由1.5万个量子点组成的大型二维网格，排列得像方格纸上的点。因为一切都是逐原子定义的，他们不仅可以选择方形网格，还能实现更为奇特的布局，如蜂窝状或Lieb晶格，模拟真实量子材料的晶体结构。

将硅变为量子试验台

为了把这些脆弱的原子图案变成实用器件，团队将量子点阵列埋入一层薄硅之下，添加高掺杂硅引线以实现电接触，并在顶部放置金属栅以控制整体电荷。成品结构看起来像电子实验室常用的霍尔条芯片，但它的活性层是一种由量子点构成的人工晶体，而不是天然矿物中的原子。在这个人工晶体中，关键的能量尺度——电子在单个点上的排斥强度、与邻居的相互作用以及在点之间隧穿的难易程度——可以通过调节点的尺寸和间距来工程化，这些参数在普通材料中几乎不可能如此灵活地控制。

观察金属如何冻结为绝缘体

一个核心目标是观察金属–绝缘体相变：当相互作用或无序增加时，原本导电的系统突然停止导电。作者制造了几组几乎相同的阵列，唯一变化是量子点之间的间距。增大间距会削弱点间的隧穿，同时局部排斥力基本不变，从而有效地增大了相互作用能与跃迁能之间的比值。在接近绝对零度几百分之一开尔文的温度下进行电学测量表明，点间距较近的阵列表现得像金属，而间距较大的阵列首先成为差导体，随后变为强绝缘体。该相变发生时的临界电导与理论对强相互作用和随机性共同起作用体系的期望一致，这一弥散-莫特（Mott–Anderson）物理学域的特征。

探测隐秘的量子机制

为确认绝缘行为确实源自相互作用，研究组研究了间距相同但量子点尺寸不同的阵列。较小的量子点更强地束缚电子，增强它们的相互排斥，而较大的量子点则使相互作用变弱。通过在器件上扫动电压，他们观察到明显的能隙，在这些能量范围内电荷无法流动；当电子最终获得足够能量时则出现尖锐的特征——这是相互作用驱动绝缘态的标志。施加磁场进一步增大了这些能隙，方式显示出电子自旋的集体响应，提供了电子按设计分布在每个量子点上而非被随机缺陷俘获的证据。温度依赖的测量显示出从无相干到相干“共隧穿”的转换，在后者中电子有效地借用能量跨越多个量子点跳跃，这与颗粒状量子系统的详细理论预测一致。

暗示未来丰富的量子相

在更导电的阵列中，团队还测量了霍尔系数——反映参与输运的载流子数量及其运动组织方式的量。在降低温度时，其中一个器件表现出霍尔系数的急剧且非单调变化——这种行为难以用简单的无序解释，让人联想到费米面（将已填充与未填充电子态分隔开的边界）微妙重构的现象。尽管作者谨慎不做过度解读，但他们认为该平台现在已经既精确又足够大，可以探究关于强关联电子的更深层问题，包括磁性如何出现、拓扑态如何形成，以及是否可以按需工程化非常规超导的类似物。

这对未来技术的重要性

对非专业读者来说，主要信息是：作者构建了一种高度可调、原子级精确的芯片，它表现得像一个人工量子材料，其规则可逐点控制。通过调节量子点的大小、间距、布局和电荷，他们可以观察电子如何从自由流动平滑地转变为被锁定，并探测驱动这一变化的微妙量子机制。这类模拟类量子模拟器并不取代理论或数字量子计算机，但它提供了进入多电子世界的强大新显微镜。从这样的工程化阵列中获得的见解，最终可能指导具有定制性能的材料设计，从无损耗的输电线到新型量子器件。

引用: Donnelly, M.B., Chung, Y., Garreis, R. et al. Large-scale analogue quantum simulation using atom dot arrays. Nature 650, 574–579 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10053-7

关键词: 量子点阵列, 模拟类量子模拟, 金属–绝缘体相变, 强关联电子, 硅基量子器件