说起崔智昊，大概可以用“平平无奇的化学小天才”来形容。他在中学时期就表现出对化学的热爱和天赋，在高二时，他就获得了全国化学竞赛初赛的一等奖；高三入选省队，参加第26届全国高中生化学竞赛并荣获金牌；随后入选国家队，代表我国中学生参加第45届国际化学奥林匹克竞赛，一举斩获国际化学奥赛金牌，同年被保送到北京大学。2017年北大本科毕业后，崔智昊进入加州理工学院继续深造。

2022年9月8日，加州理工学院Garnet Kin-Lic Chan课题组在Science杂志在线发表题为“Systematic electronic structure in the cuprate parent state from quantum many-body simulations”的研究论文，第一作者就是崔智昊。

这项研究展示了一种数值策略，可以在有效低能模型的解决方案之外，在完全从头计算水平上模拟相关材料，并将其应用于对母体未掺杂状态的铜酸盐超导材料家族进行详细的微观理解。该工作为说明了一条从头开始多体水平上对相关材料的更复杂状态进行定量和可靠理解的途径，研究对相关电子材料的定量描述具有深远意义。

尽管对物质的许多电子相有定性的理论理解，但相关电子材料的定量描述仍然是现代计算的挑战。这限制了我们将原子结构和组成与电子现象联系起来的能力，以及回答与微观机制相关的基本物理问题的能力。在相关量子材料中，高温 (high-temperature, Tc) 超导体仍然是新物理学的丰富资源。

该研究专注于铜酸盐，人们在铜酸盐族中发现了最高的超导 Tc。尽管通过晶格模型的数值计算在理解通用相图方面取得了进展，但对单个化合物性质的理解在很大程度上仍然是凭经验的，将观察到的趋势与模型参数联系起来存在很大困难。

原则上，定量理解只是多电子量子力学的问题，但求解超越晶格模型的薛定谔方程涉及三个挑战：量子多体相关性、热力学极限 (thermodynamic limit, TDL) 和高能自由度和真实材料的长程相互作用。

该研究巧妙的采用实用的计算框架，其中可以同时解决挑战：模型之外的多体问题求解器、自洽量子嵌入以开发 TDL 中的阶段和周期量子化学使用局部碱基有效地处理远程相互作用和高能自由度。每个组件在之前的工作中都经过单独测试，但崔智昊等研究人员组合策略的主要特点是求解过程绕过了参数不受控制的模型；剩下的唯一参数是计算单元的大小、基础大小和多体求解器的级别。因此，计算的所有方面原则上都可以控制在精确度上。

图1. 结构和计算策略（图源自Science）

在这项工作中，崔智昊等人描述了该策略在零温度下在其母相中模拟一系列铜酸盐的完整应用。尽管母相在质量上很简单，并且这种框架的元素已被用于理解简化模型中的奇异物理，但即使在母相中获得定量的材料系统学和功能关系也是一项重大挑战，并作为试金石实现整体战略的承诺。

图2. 缓冲层的影响（图源自Science）

总的来说，崔智昊主导的这项研究详细的模拟提高了电子结构的分辨率水平，使我们能够揭示材料特定物理和成分之间的直接联系。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2295