2026年2月20日——当电子相互作用时，它们会表现出超越日常经验直觉的行为方式。电子不再作为独立粒子运动，而是会形成集体运动模式，从而产生磁性或超导性等惊人现象。理解这些集体行为如何涌现，仍然是现代物理学中最具挑战性的难题之一。

普渡大学研究人员领导的一项新研究通过引入强大的计算方法，对看似简单实则极为复杂的“多通道近藤模型”理论框架展开研究。该成果为奇异量子行为提供了新见解，未来或将为量子技术发展提供理论基础。

“相互作用的电子会产生集体涌现行为，例如磁性或超导性，”普渡大学物理与天文系助理教授尤卡·维瑞宁表示，“这些行为通常难以预测，'多体问题'是物理学中最大的开放性问题之一。”

这项发表在《物理评论快报》的工作，汇集了普渡大学处于不同职业阶段的学生与校友的共同贡献。

以日本物理学家近藤淳命名的近藤模型，是研究相互作用电子最广泛使用的理论工具之一。该模型描述了电子遇到单个磁性杂质（如嵌入金属中的原子）时的行为特征。

“近藤模型是相互作用电子最简单的理论模型之一，”维瑞宁解释道，“该模型描述的是与单个磁性杂质相互作用、但彼此间不直接作用的电子系统。”

尽管模型结构简单，却会产生难以计算和预测的集体行为。该研究团队重点研究了其扩展形式——多通道近藤模型，其中多种类型的电子会竞争与同一杂质相互作用。

“模型有个看似简单的扩展版本，即多种电子'种类'或'味'同时与杂质相互作用，形成屏蔽竞争机制，”维瑞宁指出。这种竞争导致了非常规物理现象，包括无法用标准物质理论解释的行为。

“这种'多通道近藤模型'展现的特性暗示了所谓任意子激发的存在，”维瑞宁说，“这些涌现粒子表现出高度非常规的行为方式。”

任意子既不属于日常物理中熟悉的费米子也不属于玻色子，它们遵循独特的量子规律，因此对研究容错量子计算的研究者具有特殊价值。

“普渡大学在任意子的理论与实验研究领域都处于前沿地位，”维瑞宁表示，“它们可能应用于未来的量子计算技术。”

虽然物理学家研究多通道近藤模型已有数十年，但精确模拟始终是重大挑战。现有数值技术仅适用于单通道或双通道模型，向更多通道扩展存在困难。

“我们最近的论文提供了一种新的数值技术来模拟多通道近藤问题，”维瑞宁说，“此前该技术仅用于双通道版本，如何推广到更多通道尚不明确。”

研究团队通过引入“镜像杂质”的新概念克服了这一障碍，这种数学构造使得模型能够扩展至更多通道。

“我们提出的'镜像杂质'概念将该方法推广到任意数量通道，并在3通道和4通道模型中验证了有效性，”维瑞宁解释，“这个概念与电磁学中的镜像电荷原理有一定相似性。”

该项目主要依托李广杰博士的工作，他在犹他大学从事博士后研究期间，延续了在普渡大学维瑞宁指导下攻读研究生时完成的基础分析。

“2024年春季我在普渡期间，在维瑞宁教授指导下通过多次深入讨论，完成了自旋链三通道近藤模型的研究，”李博士表示，“后续我还研究了杂质自旋关联函数与杂质熵的标度行为。”

现为马里兰大学博士生的乔丹·盖恩斯本科阶段就加入了维瑞宁课题组，他在开发研究所需的计算工具方面发挥了核心作用。

“我编写了研究多通道近藤自旋链的大部分模拟代码，并收集了论文使用的主要数据，”盖恩斯说，“最终结果的讨论与分析是团队合作的成果。”

普渡大学的高性能计算资源对完成模拟至关重要，尤其在项目初期。“早期盖恩斯还在普渡时，我们使用了学校罗森中心的高性能计算资源，”维瑞宁透露。

“普渡的贝尔计算集群对我们运行性能密集型模拟不可或缺，”盖恩斯补充道。

这项研究还得益于普渡大学支持跨学科研究的协作环境，为本科生、研究生和教职员工在物理与量子科学领域的探索提供了沃土。该团队希望新方法能帮助物理学家探索量子物质此前难以触及的层面，进一步阐明多通道近藤系统与任意子间的关联。

“我们希望这一新方法能让理论物理学家深入研究多通道近藤系统中任意子的特性，”维瑞宁表示。为促进持续探索，研究人员已通过普渡大学数据仓库公开了模拟代码。