强相互作用对霍尔响应的影响

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

霍尔效应源于带电粒子在磁场中的运动，它对材料的描述具有深远的影响，其影响远远超出了凝聚态物质的范围。了解相互作用系统中的这种效应是一个根本性的挑战，即使对于小磁场也是如此。

基于此，佛罗伦萨大学L. Fallani等人使用原子量子模拟器，在其中追踪了超冷费米子在由人工磁场穿线的双足带中的运动。通过可控淬灭动力学，测量了一系列合成隧道效应和原子相互作用强度的霍尔响应。作者揭示了一种高于交互阈值的通用交互独立行为，与理论分析一致。达到难以计算的状态的能力证明了量子模拟描述强相关的物质拓扑状态的能力。

实验方案

作者报告了在具有强相互作用的超冷费米子的量子模拟器中测量霍尔响应的情况。通过控制粒子之间的排斥力，获得了在大相互作用强度下预测的普遍响应的实验证据。监测了线性电势瞬时猝灭后系统的实时动态，观察到Ex和的联合作用触发了纵向电流Jx，同时伴随着系统沿横向Py的霍尔极化。结果展示了霍尔系统中相互作用的重要性，为研究合成量子物质拓扑相中的强相关效应铺平了道路。

图1  实验方案

测量霍尔效应

作者展示了在特定实验参数ty=3.39tx和U=6.56的选择下，测得的电流、极化和霍尔不平衡与时间t的函数关系，证实了作者对霍尔响应出现的数据的解释。根据理论预测，强相互作用的稳态霍尔不平衡预计将达到与U无关的普适值。尽管与理论模型中使用的设置存在差异，但模拟器产生的结果与该通用值一致。

图2  粒子电流Jx、霍尔极化Py和霍尔不平衡H的时间演化

测试通用性

为了确定普遍状态的开始，作者测量了霍尔不平衡的固定值对系统参数的依赖性。作者还证明了方程的通用霍尔响应的相互作用驱动的起源。MFA考虑了有限温度效应，并允许在实验和理论之间进行定量比较。与从弱横向隧道效应到大横向隧道效应的转变类似，如实验数据中观察到的，有限温度将转变推向比零温度DMRG 预测的更大的相互作用强度。

图3  时间平均霍尔不平衡作为合成隧道效应的函数

强相互作用对霍尔响应的影响

尽管 MFA 图有效，但作者强调强相互作用在达到普遍状态方面所发挥的重要且非扰动作用，这从根本上区别于大规模极限。作者强调观察到的效应确实是多体效应，MFA能够在有限温度下取得进展。尽管如此，MFA要求对其结果进行重新调整，以定量说明普遍体系，并且在再现大U极化的精细动态方面具有明显的局限性。因此，MFA应该辅之以更完整但更困难、更精确的有限温度研究。

图4  作为原子相互作用函数的时间平均霍尔不平衡

审核编辑：汤梓红