当他在读研究生时,陈昆发现自己被一个令人困惑的问题所困扰:电子,看似简单的粒子,由简单的运动方程控制,如何在日常材料中导致如此复杂多样的现象?这些复杂性能否从基础物理学中精确预测?在这个深刻问题的驱使下,他踏上了寻找答案的学术之旅。
经过六年多的探索,陈发现了一种特别有效的方法来描述材料中电子的神秘行为。受到高能物理学最新进展的启发,他开发了一个框架,有望揭示从金属、半导体到超导体等一系列材料中的复杂集体行为。
2020年至2023年担任熨斗研究所计算量子物理中心(CCQ)研究员,现为中国科学院研究员。他在中国科学技术大学获得学士学位,在马萨诸塞大学阿默斯特分校获得博士学位,在加入 CCQ 之前,曾在罗格斯大学担任西蒙斯博士后研究员。
陈最近向西蒙斯基金会讲述了他的工作以及电子的特性。为了长度和清晰度,对话已被编辑。
您目前的研究重点是什么?
简而言之,我的研究旨在借用高能物理的新见解和方法来解决凝聚态物理和材料科学中的一些基本问题。有效场理论就是一个突出的例子。它提供了一种非常系统的方法,用最少的变量集来模拟复杂的问题。我发现这些技术在解决凝聚态问题方面非常强大。
凝聚态物理的一个重大挑战是多电子问题。如果有很多电子,它们之间的相互作用就会非常强烈。这意味着你无法观察单个电子;你必须理解他们的集体行为。为了给您一种规模感,一块 6 英尺长的金属可以有 10 23 个(即 100 亿)电子。它们的相互作用决定了从金属、半导体到绝缘体的各种材料的基本特性。我的研究重点是利用有效场论以前所未有的精度系统地模拟多电子系统。目标不仅是扩展我们的理论工具包,而且是加深我们对材料行为的基本理解。
您如何对这些系统进行建模?
我喜欢将我们采用的方法与艺术家巴勃罗·毕加索的方法进行比较。毕加索曾经做过一项艺术研究,他不断地画一头公牛,但每次都越来越简单,以找到描绘动物的最简约的方式。我们正在做同样的事情,开发一种有效的电子场论,但方向相反。首先,我们创建系统最基本的模型并计算其物理特性。然后,我们将其与真实系统进行比较,看看我们缺少什么。我们慢慢添加更多参数,直到得到一个能够为我们提供足够准确结果的模型。我们发现,只需 5 个参数,我们就能以高达 90% 的准确度描述简单的金属。通过更多参数,我们可以将误差降至 1% 以下。
现在我们终于有了一个具有前所未有的准确性的工作模型。我们的模型使我们能够对集体电子行为进行精确预测,这些见解对日常生活中遇到的材料和现象有直接影响。
这些模型可以帮助您了解电子行为什么?
我专门使用这些模型来深入研究我所说的电子“有效质量之谜”。想象一位电影明星走过一个房间。与普通人不同,这位电影明星是众所周知的,人们会围着他们要求签名。因此,电影明星在拥挤的房间里行走比在空旷的房间里行走要困难——所以你可以说他们在与他人互动时的“有效质量”更大。同样,您会期望彼此强烈相互作用的电子与单独的电子相比具有不同的有效质量。有趣的是,我们的计算表明事实并非如此。两个质量几乎相同。所以最大的问题是为什么,我们正在使用我们的新模型来解决这个问题。这不仅是一个基本难题,而且对于设计下一代从头算方法也至关重要,该方法依靠基本原理和精确的近似来预测材料特性。
现在,这种异常现象将我们带到了高能物理学中经常讨论的“自然性”概念。从本质上讲,自然性原理表明物理学中的任何无量纲数都应该接近统一。换句话说,数字不应太大或极小。例如,万有引力常数(描述质量被吸引的强度的数字)远小于单位,这多年来一直困扰着科学家。同样,在电子结构领域,我们预计电子的有效质量会由于强相互作用而显着变化,这符合这一自然性原理。但令人惊讶的是,事实并非如此。这给我们带来了电子结构理论中的“自然性问题”。有趣的是,将这两个看似独立的问题联系起来可以让我们对这两个领域有新的见解。
其他科学家能够使用您创建的模型和工具吗?
有效场论是一种非常强大的方法,通常被认为是高能物理学的基石,因为它能够系统地简化复杂系统。但当它在凝聚态物理中使用时,存在一些技术障碍。这让我们开始思考:如果我们能让这个变得更平易近人怎么办?因此我们提出了数值有效场理论,简称 NEFT。我们刚刚在一次会议上展示了它,并且它已经在 GitHub 上可供任何人使用。我们很兴奋,因为我们认为这个工具包会打开大门。它使更多凝聚态物理学家和材料科学家能够接触到有效场论的卓越之处,我们非常高兴看到它会将我们带向何方。