電子關聯與多體物理

哈伯德模型

/ HUB-erd /

想像一種在點陣棋盤上玩的桌遊:棋子可以從一個點跳到相鄰的點,但有一條特別的家規——只要有兩枚棋子落到同一個點上,你就得交罰金。規則手冊幾乎就這麼多。儘管簡陋到這個地步,這遊戲卻能生出驚人豐富、難以預料的圖案——而這恰恰正是它迷人之處。

哈伯德模型把相互作用電子的物理,在原子點陣上削減到只剩兩樣配料。其一是「跳躍」項,讓一個電子能跳到相鄰的原子上,這傾向於把電子攤開、造出金屬。其二是「在位排斥」項,只要兩個電子坐到同一個原子上就收取一筆能量罰金,這傾向於把電子鎖在原地。整個模型的行為,就由這兩個數字之間的拉鋸決定。

它之所以重要,是因為這個玩具抓住了強關聯材料的精髓:調一調這兩項的比例,模型就能描述金屬、莫特絕緣體、磁性,而且被懷疑握有高溫超導的秘密。要誠實地補一句:儘管它如此簡單,二維哈伯德模型卻從未被精確求解過——它至今仍是物理學最重大的未解難題之一。

物理學家如今用超冷原子搭出真實的哈伯德模型:雷射把原子囚在一張光的柵格裡,原子在格點間跳來跳去,相遇時感受到排斥,研究者就直接看著磁性和莫特絕緣態浮現出來——這是對一個計算機無法完全求解的方程,所做的一次檯面上的模擬。

光柵格裡的超冷原子,演繹著計算機無法精確求解的哈伯德模型。

這個模型以約翰·哈伯德命名,他在1960年代把它寫了下來,儘管另有其他人獨立想到了類似的點子。它的名聲並非來自逼真——它忽略了真實化學的絕大部分——而是因為它是最簡單、卻依然不肯交出自己秘密的那個模型。