电子关联与多体物理

哈伯德模型

/ HUB-erd /

想象一种在点阵棋盘上玩的桌游:棋子可以从一个点跳到相邻的点,但有一条特别的家规——只要有两枚棋子落到同一个点上,你就得交罚金。规则手册几乎就这么多。尽管简陋到这个地步,这游戏却能生出惊人丰富、难以预料的图案——而这恰恰正是它迷人之处。

哈伯德模型把相互作用电子的物理,在原子点阵上削减到只剩两样配料。其一是「跳跃」项,让一个电子能跳到相邻的原子上,这倾向于把电子摊开、造出金属。其二是「在位排斥」项,只要两个电子坐到同一个原子上就收取一笔能量罚金,这倾向于把电子锁在原地。整个模型的行为,就由这两个数字之间的拉锯决定。

它之所以重要,是因为这个玩具抓住了强关联材料的精髓:调一调这两项的比例,模型就能描述金属、莫特绝缘体、磁性,而且被怀疑握有高温超导的秘密。要诚实地补一句:尽管它如此简单,二维哈伯德模型却从未被精确求解过——它至今仍是物理学最重大的未解难题之一。

物理学家如今用超冷原子搭出真实的哈伯德模型:激光把原子囚在一张光的栅格里,原子在格点间跳来跳去,相遇时感受到排斥,研究者就直接看着磁性和莫特绝缘态浮现出来——这是对一个计算机无法完全求解的方程,所做的一次台面上的模拟。

光栅格里的超冷原子,演绎着计算机无法精确求解的哈伯德模型。

这个模型以约翰·哈伯德命名,他在1960年代把它写了下来,尽管另有其他人独立想到了类似的点子。它的名声并非来自逼真——它忽略了真实化学的绝大部分——而是因为它是最简单、却依然不肯交出自己秘密的那个模型。