破解30年高溫超導理論模型　中山大學研究登Science

波新聞─李至文／高雄

高溫超導體理論模型研究大突破！國立中山大學物理系助理教授鍾佳民與美、德等學術機構合組跨國研究團隊，以數值方法模擬計算高溫超導體理論模型，精準模擬預測實驗結果，成功使過去30年來，全球科學家無解的高溫超導體理論模型得到確定答案，獲登世界權威期刊「科學」（Science）。

中山大學物理系助理教授鍾佳民強調，超導體是電阻為零的導體，在極低溫下才會產生此種特性，而高溫超導體則是在相較傳統超導體溫度較高、約攝氏零下200度左右時可存在。高溫超導自1986年被發現以來，能否實現室溫下的超導一直是物理學家追求的目標。數十年來，科學家以各種方式計算高溫超導低能量態理論機制，卻因系統關聯性與量子擾動強烈、低溫時低能量態互相競爭等偏差而仍無法參透。

由於數值方法的發展，為高溫超導的理論研究提供了重要的動力。研究團隊採用強關聯系統的數值方法，計算高溫超導模型的低溫態，突破以往限制，提出確切答案，並解釋其理論機制，使得在凝態物理界廣泛研究的重要難題上前進了關鍵的一大步。鍾佳民指出，強關聯系統的數值方法除凝態系統外，還可應用在高能物理、量子化學系統或生物系統上，為研究領域開闢創新途徑，對於理論物理的推進發展意義非凡。

鍾佳民進一步解釋，此模型建構研究的重要性在於，科學家終於有能力精確了解超導模型的低溫性質，得以進一步洞悉高溫超導的理論機制；理論模型計算得到的結果與實驗上的觀察相符，有助於後續高溫超導的應用。鍾佳民表示，古典電腦與量子電腦演算法扮演著相輔相成的角色，可互相修正進步；在未來研究設計上，可使用結合量子電腦和古典電腦的混合計算，在相當程度上幫助複雜系統研究，如核磁共振等高溫超導，以及量子電腦計算與機器學習等數值建構模型等，提供理論物理參考基礎。

研究團隊指出，此項研究結合量子蒙地卡羅（quantum Monte Carlo）與密度矩陣重整化群（density matrix renormalization group）的數值方法，計算了次近鄰躍遷的哈伯模型（Hubbard model）基態，在電子與電洞的參雜下都發現了超導態，其超導序與參雜間的關係大致符合實驗對於溫度的相圖。基於張量網路（tensor network）的數值方法發展迅速，若能計算如單模激發譜（single-mode excitation spectrum）和電導率等與實驗高度相關的物理量，將使理論能進一步解釋實驗觀察到的現象。

跨國研究團隊成員還包括美國Flatiron Institute教授Shiwei Zhang、加利福尼亞大學爾灣分校教授Steven White、以及德國慕尼黑大學（Ludwig-Maximilians-Universität）教授Ulrich Schollwöck等人。此篇研究為鍾佳民在2017年發表論文登上科學期刊（Science）後，與相關研究者繼續深度合作，再度榮獲刊登。

「科學」（Science）為世界頂尖權威期刊，其2022年學術期刊影響力為59.6。在跨學科科學類別中，按期刊影響因子（Journal Impact Factor），在73個期刊中排名第2；按期刊引用指標（Journal Citation Indicator），在134個期刊中排名第2。期刊連結：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7691