发布时间:2024-02-10 00:26 原文链接: 中国科大首次观测到多体配对赝能隙

【中国科学技术大学的潘建伟、姚星灿、陈宇翱等科学家们,在基于强相互作用的均匀费米气体研究中取得突破,首次观测到由多体配对产生的赝能隙。这项研究在《自然》杂志上发表,题为《幺正费米气体中赝能隙的观测和量化》。

能隙的产生是超导的典型特征,通常存在于超导相变温度以下。然而,铜氧化物高温超导体的发现表明,超导相变温度以上仍然存在能隙,被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质对于理解高温超导机理至关重要。学术界普遍认为赝能隙可能源自超导相变温度以上的电子多体预配对或在高温超导体中出现的多种量子有序相,如反铁磁序、条纹序和配对密度波等。然而,由于真实高温超导材料的复杂性,各种可能的机制相互竞争,难以明确哪种机制起作用。

在强相互作用(幺正)极限下的超冷费米气体中进行研究提供了理想的量子模拟平台。这种体系具有费米原子之间强烈吸引相互作用的特点,为多体配对创造了有利条件,并且可以避免多种量子有序相之间的竞争。因此,在这个体系中观测到赝能隙将为多体配对机制提供决定性验证。然而,实现这一科学目标面临两个重要技术挑战:制备高品质、密度均匀的幺正费米气体和在超冷原子体系中开发类似角分辨光电子能谱的测量技术。

该研究团队通过多年努力,建立了超冷锂-镝原子量子模拟平台,实现了世界领先的均匀费米气体的制备。他们还发展了高度稳定的大磁场技术,使得在约700 G的磁场下,短期波动优于25 μG,相对磁场稳定度接近10-8,比过去的最优结果提升了一个数量级以上。在这个超稳磁场下,研究团队实现了超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。基于这一技术,他们系统地测量了不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数,并观测到赝能隙的存在,为电子预配对假说提供了支持。

这一研究推动了对强关联多体系统的认识,并为完善多体理论提供了实验依据。此外,该研究发展的超冷原子量子调控技术为研究其他凝聚态物理现象,如单带超流、条纹相、FFLO超流等,奠定了技术基础。审稿人一致认为,这项工作解决了一个长期存在的重要物理问题,是量子模拟研究的重要进展。

在前期技术积累的基础上,超冷原子量子模拟显示出揭示包括高温超导机制在内的复杂物理系统规律的效果,为构建具备解决实际问题能力的专用量子模拟机铺平了道路。研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、安徽省、上海市等的支持。】

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图中头顶玉珠的两条鲤鱼,象征着一对自旋相反的费米子;龙门代表超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门,表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来导致赝能隙的出现。制图:陈磊

单粒子谱示意。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子,曲面间隙为赝能隙。制图:陈磊