模拟低温下的强关联费米子系统一直是凝聚态物理领域的重大挑战。为了突破经典计算的瓶颈，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）Michelle Simmons团队开发了一种基于硅基原子量子点的大规模量子模拟器。利用扫描隧道显微镜（STM）直写技术，该工作成功构建了包含1.5万个量子点的二维阵列，并实现了对费米-哈伯德模型核心参数（如隧穿能和库仑相互作用）的精确调控。实验不仅清晰复现了由相互作用驱动的金属-绝缘体相变，还在绝缘态中观测到了电子交换相互作用增强及霍尔效应异常，揭示了潜在的强关联电子行为，为大规模量子模拟、探索高温超导与量子磁性提供了全新平台。该成果于2月4日发表在国际权威学术期刊《Nature》上。
文章亮点
规模与精度的双重突破：利用STM直写技术，构建了包含1.5万个原子级量子点的二维阵列，在保持亚纳米精度的同时实现了大规模扩展，解决了传统量子模拟体系规模与强相互作用难以兼得的难题。
强关联物理的深度复现：成功模拟了费米-哈伯德模型，不仅清晰观测到金属-绝缘体相变，还发现了电子交换相互作用增强及霍尔异常等强关联电子行为，为探索高温超导机制提供了新途径。
几十年前，理查德·费曼（Richard Feynman）提出了一个构想：理解自然界中复杂的量子系统，不应试图用经典计算机去计算，而应构建一个本身就是量子的模拟器去模拟它。
物理学家们在过去的几十年里探索了多种路径。从被激光束缚在光晶格（Optical Lattices）中的超冷原子，到宏观的超导电路，再到近年来兴起的扭转范德瓦尔斯材料（如魔角石墨烯），各种模拟量子系统相继出现。
然而，不同的平台在性能参数上占据着不同的位置。如图1所揭示的，衡量一个量子模拟器的核心指标通常包括模拟规模（晶格点数(N)和相互作用强度（U/t）。超冷原子平台虽然能构建成千上万个格点，但在模拟低温下的强关联费米子系统时受到一定限制；而传统的栅控量子点虽然能实现较强的相互作用，但在扩展到大规模阵列方面存在技术挑战。
在这一背景下，研究人员利用扫描隧道显微镜（STM）技术，在硅芯片上成功构建了包含15,000个量子点的阵列。这一装置，不仅复现了凝聚态物理中的金属-绝缘体相变，还观测到了强关联电子物理的相关特征。
原子级精度的阵列制造
这项工作的核心在于其制造工艺。一种结合“自下而上”与“自上而下”的原子制造技术被采用，将物理参数“硬编码”进了微观的原子量子点阵列中。
制造过程始于一块覆盖着氢原子保护层的原子级平整硅表面。扫描隧道显微（STM）的金属针尖作为“雕刻刀”，通过施加电压通过隧穿电流移除特定的氢原子，暴露出下方的硅悬挂键，形成亚纳米精度的图案掩膜。随后，系统通入磷化氢气体，通过解离，磷原子吸附在暴露区域并最终通过外延，取代硅原子进入晶格。这些磷原子构建的量子点形成了一个束缚电子的势阱，即模拟器中的“人造原子”。
为了将这些量子点封装成可测量的器件，一层约80纳米厚的外延硅层被生长在图案上方，将阵列包裹在晶体内部。整个装置被设计成霍尔棒（Hall Bar）结构，包含源极、漏极以及侧面的电压探针，这种结构使得微观量子状态可以通过宏观电输运测量被读取。此外，器件顶部覆盖的金属顶栅充当了类似阀门的角色，通过施加电压调节下方阵列的电子密度，从而实现对系统填充状态的调控。
在这个器件中，费米-哈伯德模型的四个核心参数被物理尺寸所定义：
隧穿能 t（Tunneling）：代表电子在格点间跳跃的能力。由量子点之间的间距决定：间距设计得越大，隧穿能t越小。
格点内相互作用 U（On-site Interaction）：代表两个电子占据同一个格点时的排斥能。由量子点的面积控制：量子点做得越小，排斥能U越大。
格点间相互作用 V（Inter-site Interaction）：代表电子对邻近格点电子的库伦排斥作用。这主要由点间距决定的静电电容效应控制。
化学势 μ（Electrochemical Potential）：代表单个格点电子的能量。这直接受顶栅电压的静电场控制：电压的变化即可改变系统的载流子浓度。
从金属到绝缘体：复现理论预测
通过不同间距的阵列设计，相互作用强度U实现了连续调节。对于间距较小的阵列，电子动能占据主导，系统在低温下保持高电导率，表现为金属行为；而对于间距较大的阵列，电子间的排斥力战胜了动能，电子局域在各自的格点上，电导率随降温下降，表现为绝缘体行为。
实验测得的金属-绝缘体相变临界点与颗粒金属理论（Granular Metal Theory）的预测高度相符。具体而言，随着原子点间距的增加，低温下的电导率呈现出剧烈的指数级衰减。这一变化趋势被一个理论临界值（约
）精准地划分为两个区域：高于此值的曲线对应金属态，而低于此值的曲线则迅速跌落至绝缘态。这种跨越数量级的变化不仅验证了理论预测，更表明该原子阵列能够灵敏地捕捉复杂量子多体系统中的相变细节。
探索未知：强关联效应与新物理信号
量子模拟的目标之一是探索复杂的强关联物理。这项工作复现了莫特物理图像，并在绝缘态观测到了电子关联特征。
在对绝缘态器件施加垂直磁场时，电荷能隙随磁场线性增大，且速率超过普通单电子塞曼效应的预期。这种较大的有效g因子是电子交换相互作用的证据，表明阵列中的电子并非被死死固定在单个原子上，而是像电子云一样弥散在整个量子点区域内。这种非局域化的特性意味着该人工系统成功复现了真实晶体材料中电子的弥散行为。
另一项显著的发现来自霍尔效应的异常。在处于相变边缘的弱绝缘体中，霍尔系数在低温下并未表现出简单的载流子冻结，反而增长并发生反转。这种非单调行为暗示了费米面重构的可能——在强关联作用下，材料的能带结构发生了变形。这一迹象表明，在这个人工构建的二维晶格中，可能存在着某种超越简单莫特绝缘体的新奇量子态。不过，研究团队对此保持审慎态度，指出实验样品中存在的化学势无序（chemical potential disorder）或其他非关联效应也可能对霍尔系数产生复杂影响，因此确切的物理机制仍需进一步验证。
结语
利用STM原子级直写技术与微纳加工工艺的结合，研究人员成功构建了包含1.5万个量子点的大规模阵列。实验不仅精确复现了由相互作用驱动的金属-绝缘体相变，更观测到了电子交换相互作用增强及霍尔效应异常等显著的强关联信号。正是这些关键物理特征的发现，有力证明了该硅基人工量子系统具备模拟复杂强关联机制的能力，从而为未来研究量子磁性、高温超导等凝聚态物理难题提供了一个全新的实验平台。