总结：

近日，西北大学现代物理研究所何院耀教授与合作者，通过精确对角化计算和大规模量子蒙特卡洛模拟，提出了以低温下双占据温度导数的符号变化作为费米哈伯德模型中Slater-Mott渡越的热力学判据，并通过反铁磁关联长度的极大值信号验证了该判据的物理图像，两者给出一致的渡越边界。这项研究为光晶格实验中探测Slater-Mott渡越提供了直接、可测量且物理直观的框架。该成果以“Thermal Signatures of the Slater-Mott Crossover in the Hubbard Model: From Double Occupancy to Antiferromagnetic Correlation Length”为题，作为Express Letter于2026年10月20日发表在国内SCI一区期刊Chinese Physics Letters（CPL）上。何院耀教授为论第一通讯作者，中国科学技术大学邓友金教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委“彭桓武高能基础理论中心”项目、国家自然科学基金项目、2030科技创新重大项目、福建省自然科学基金项目以及陕西省青年创新团队的支持。

原文链接：

https://cpl.iphy.ac.cn/article/doi/10.1088/0256-307X/43/11/110702

研究背景：

Slater绝缘体到Mott绝缘体的渡越行为，是强关联电子体系中相互作用驱动绝缘态机制转变的典型范例。在具有嵌套费米面的哈伯德（Hubbard）模型中，任意小的排斥作用都会打开单粒子能隙并诱导奈尔反铁磁长程序，使其基态成为反铁磁绝缘体。然而，随着增大，绝缘态的微观机制发生根本性变化：弱耦合下，绝缘态源于费米面嵌套和弱奈尔反铁磁序，伴随显著的电荷涨落，定义为Slater绝缘体；强耦合下，电荷涨落被抑制，低能物理由局域矩之间的超交换作用主导，表现为Mott绝缘体。这两个区域之间通过一个平滑的渡越（而非相变）连接，因而其定量精确表征一直是巨大挑战。已有研究主要依赖单粒子谱的谱学特征或动能、势能随温度的变化，多为定性分析或基于近似方法，缺乏明确且定量可靠的定位判据。因此，一个简单、定量可控且实验可及的Slater-Mott渡越判据仍然缺失。

图1：半满二维哈伯德模型的Slater-Mott渡越相图，双占据的极小值位置和热力学熵的局域极小值位置外推至零温给出渡越边界，在Slater和Mott区域分别有和。背景颜色为有限温金属-绝缘体渡越相图；两个插图分别展示了由的局域极小值和的极小值（即）来计算。

研究内容简介：

针对上述问题，研究团队提出以低温下双占据温度导数的符号变化作为Hubbard模型中Slater-Mott渡越的热力学判据，并通过反铁磁关联长度的极大值信号从另一角度验证了该判据的物理图像，二者给出一致的渡越边界。具体地，研究团队通过精确对角化（ED）揭示了符号变化的微观起源，并利用大规模辅助场量子蒙特卡洛（AFQMC）模拟获得高精度双占据计算结果并以此来确定渡越边界。

在二维体系的ED分析中，研究团队发现低温下的符号反映了体系低能激发态和基态双占据的相对大小，从而揭示Slater和Mott区低能激发性质的差异：在Slater区，发现激发态的双占据高于基态，从而有，表明低能激发以电荷型为主，与该区域有显著电荷涨落的特征一致；在Mott区，自旋翻转形成的铁磁键抑制了虚跃迁，导致激发态的双占据低于基态，即有，表明低能激发具有自旋型特征，与低能自旋超交换物理图像一致。

进而利用大规模AFQMC模拟，通过Maxwell关系，详细计算了双占据的极小值位置和热力学熵的局域极小值位置，并结合二者的结果外推得到了零温下的值位置，即为二维Hubbard模型中Slater-Mott渡越的边界；也通过零温附近的高精度数据检验的符号，从而验证了上述渡越边界的正确性。此外，基于Maxwell关系，固定温度下热力学熵的局域极小值标志着最强的反铁磁关联，因而可与反铁磁关联长度的极大值信号建立联系： 在弱耦合下因费米面嵌套随增大，越过极大值（位置在）后因高阶阻挫相互作用迅速减小，因而在处的极大值同样反映了自旋超交换物理的出现。将外推至零温，独立得到了与上述一致的渡越边界。利用同一范式，研究团队也得到了三维半满简立方晶格上Hubbard模型的渡越边界。

总结与展望：

这项研究工作为Hubbard模型中基态Slater-Mott渡越建立了简单、定量且判别明确的热力学判据，突破了已有研究缺乏明确定位判据、依赖近似方法的局限，并利用多种热力学信号给出了一致的渡越边界。这一判据和物理图像可推广至一系列存在Slater-Mott渡越的Hubbard类模型，包括带自旋向列跃迁的二维模型、双层模型以及(SU)模型等。目前，超冷原子光晶格实验已触及的低温区，并能够直接测量双占据与反铁磁关联长度，有望据此直接观测Slater-Mott渡越，推动量子模拟实验与强关联理论的交叉研究。

作者及经费支持简介：

论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生卢明忠（导师为中国科学技术大学邓友金教授和西北大学何院耀教授），论文作者还有中国科学技术大学宋育峰博士（导师为邓友金教授和何院耀教授，目前在美国纽约Flatiron研究所做博士后），何院耀教授为第一通讯作者，邓友金教授为共同通讯作者。该研究工作是卢明忠同学2025-2026年在西北大学何院耀教授课题组访问期间、在邓友金教授和何院耀教授共同指导下完成的。该工作得到了国家自然科学基金委“彭桓武高能基础理论中心”项目（项目号：12047503）、国家自然科学基金项目（项目号：12204377、12275263）、2030科技创新重大项目、福建省自然科学基金项目（项目号：2023J02032）以及陕西省青年创新团队的支持。

何院耀教授简介：

何院耀，西北大学现代物理研究所教授、博士生导师。2013年6月在南开大学凝聚态物理专业获理学学士学位，并入选教育部首届“基础学科拔尖学生培养实验计划”；2018年6月在中国人民大学凝聚态物理专业获理学博士学位。2018年9月至2022年1月，在美国纽约Flatiron Institute，计算量子物理研究中心（CCQ），做博士后研究工作（Research Fellow）。2022年1月开始，在西北大学现代物理研究所工作；2023年5月，被双聘为合肥国家实验室项目研究员。何院耀教授于2022年先后入选陕西省和国家级青年人才项目，主持国家自然科学基金青年、面上项目，并作为研究骨干参与国家科技创新2030重大项目。何院耀教授团队主要从事凝聚态理论和量子多体计算研究，包括关联费米体系量子蒙特卡洛算法的发展及其在格点模型、相互作用费米气体和关联电子材料等体系的应用，主要关注这些体系中量子磁性、超导与超流性质、热力学和动力学性质的研究。目前已在PRL、PRX、PNAS、CPL、PRA和PRB等物理学期刊发表学术论文40余篇（包括以第一作者/通讯作者发表4篇PRL、2篇PRX和3篇CPL），在国内外学术会议上做邀请报告50余次，并多次在学术会议上讲授量子蒙特卡洛算法的教学报告。