2026年6月25日——由弗朗西斯卡·费尔莱诺（Francesca Ferlaino）和卢卡·巴尔别罗（Luca Barbiero）领导的研究人员开发了一种基于一维量子结构中超冷磁性原子的新理论模型，揭示了物质的七种奇异相。最引人注目的是，其中一种相将拓扑序与超导电性结合在一起，在量子计算领域具有潜在应用前景。研究团队还提供了利用现有实验技术实现和探测这些量子相位的详细路线图。

强相互作用的量子粒子是现代物理学中一些最引人入胜现象——从磁性和超导电性到拓扑态——的关键。然而，这类系统的复杂性使得其中许多特性至今仍难以理解。来自因斯布鲁克和都灵的一个研究团队现在提出了一种新的理论框架，用于在一维晶格中利用超冷磁性原子生成和研究这些奇异物态。

针对磁性原子的新量子模型

该研究的核心是一个经过专门设计的理论模型——这是量子物理学中一个成熟的框架，用于描述被称为费米子的强相互作用量子粒子的行为。研究人员基于超冷磁性镧系元素原子（具体为铒和镝），构建了一个现实的实验装置，将这些原子捕获在一维光学晶格中。得益于这些原子异常大的磁矩，该团队能够构建一个系统，在其中三个关键参数——粒子在晶格位点间的运动方式、自旋之间的相互作用方式，以及它们占据同一位点时的相互排斥强度——可以独立调节。这种控制水平显著超越了传统原子系统所能达到的程度。

拓扑超导体

通过结合分析方法和先进的数值模拟，该团队绘制了一个丰富的相图，包含七种不同的量子相。这些相包括多种形式的一维超导电性、一种拓扑液体，以及尤为引人注目的拓扑三重态超导体。在这种状态下，超导电性（即电荷的无损传输）与拓扑序（一种对环境噪声具有鲁棒性的量子态）共存。“在这种奇异物态中，拓扑序和超导电性深度交织，此前尚未在实验上实现过，”来自弗朗西斯卡·费尔莱诺团队的论文第一作者莱昂纳多·贾科梅利（Leonardo Giacomelli）解释道。“我们的方法为这一目标提供了一个具体且实验上可实现的平台，”都灵理工大学的卢卡·巴尔别罗补充道。

研究人员还开发了一套详细的逐步方案，利用量子气体显微技术来制备和探测所有预测的量子相。“我们的研究为深入理解在强相互作用费米子量子物质中涌现的迷人物态迈出了具体的一步，”弗朗西斯卡·费尔莱诺表示。“我们提出的平台与现有实验设置直接兼容，鉴于拓扑超导体是容错量子计算中最有前景的候选系统之一，这一点尤为重要。”

该研究工作在因斯布鲁克大学实验物理系和奥地利科学院（ÖAW）量子光学与量子信息研究所（IQOQI）完成。研究成果已发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上，并得到了奥地利科学基金（FWF）、欧洲研究委员会（ERC）等资助机构的支持。