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中國科學(xue)技術(shu)大學(xue)潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強(qiang)相互(hu)作(zuo)用的(de)(de)均勻費米氣(qi)體，首次觀(guan)測(ce)到了(le)由多(duo)體配(pei)對產生的(de)(de)贗(yan)能(neng)隙。這項(xiang)研究(jiu)首次確立了(le)配(pei)對贗(yan)能(neng)隙的(de)(de)存在，為高溫超導機理中的(de)(de)電(dian)子預配(pei)對假說提供了(le)支持，朝向理解高溫超導機理邁出(chu)了(le)重要一(yi)步(bu)，是利用量子模擬解決(jue)重要物理問題(ti)的(de)(de)一(yi)個范例。2月(yue)8日(ri)，該成果以“幺正費米氣(qi)體中贗(yan)能(neng)隙的(de)(de)觀(guan)測(ce)和(he)量化”為題(ti)發表在國際權威學(xue)術(shu)期刊Nature上。
圖(tu)1：圖(tu)中頭頂玉(yu)珠的(de)(de)兩條(tiao)鯉魚，象征(zheng)著一對(dui)(dui)自旋相反的(de)(de)費(fei)米子;龍門代表了超流(liu)相變(bian)和贗能(neng)隙。鯉魚躍過龍門，表明配對(dui)(dui)發生在(zai)超流(liu)相變(bian)溫度以上(shang)。這(zhe)種配對(dui)(dui)現象反過來(lai)又導致贗能(neng)隙的(de)(de)出現。/制圖(tu)：陳磊
能(neng)(neng)隙(xi)的產生是(shi)超導(dao)(dao)的標志性現(xian)(xian)象。在(zai)常(chang)規超導(dao)(dao)體中，能(neng)(neng)隙(xi)存在(zai)于超導(dao)(dao)相變溫(wen)(wen)度(du)(du)以下。隨著(zhu)銅氧化物高溫(wen)(wen)超導(dao)(dao)體的發現(xian)(xian)，即使在(zai)超導(dao)(dao)相變溫(wen)(wen)度(du)(du)以上，能(neng)(neng)隙(xi)仍(reng)然能(neng)(neng)夠被(bei)觀測到，這(zhe)種現(xian)(xian)象被(bei)稱為(wei)(wei)贗(yan)(yan)能(neng)(neng)隙(xi)。贗(yan)(yan)能(neng)(neng)隙(xi)的起源(yuan)和(he)性質(zhi)可(ke)以為(wei)(wei)解答高溫(wen)(wen)超導(dao)(dao)的機(ji)理問題提供關鍵(jian)線索。學術界普遍認為(wei)(wei)主要存在(zai)兩種可(ke)能(neng)(neng)的贗(yan)(yan)能(neng)(neng)隙(xi)機(ji)制(zhi)：一(yi)是(shi)來(lai)源(yuan)于超導(dao)(dao)相變溫(wen)(wen)度(du)(du)以上的電子(zi)多(duo)(duo)體預配對;二是(shi)來(lai)源(yuan)于在(zai)高溫(wen)(wen)超導(dao)(dao)體中發現(xian)(xian)的多(duo)(duo)種量子(zi)有序(xu)相，例(li)如反(fan)鐵(tie)磁序(xu)、條紋序(xu)和(he)配對密(mi)度(du)(du)波等。但(dan)由于真實的高溫(wen)(wen)超導(dao)(dao)材料體系非常(chang)復雜，各種可(ke)能(neng)(neng)的機(ji)制(zhi)來(lai)源(yuan)相互競爭，一(yi)直(zhi)無(wu)法明(ming)確究竟是(shi)何種機(ji)制(zhi)在(zai)起作用(yong)。
強(qiang)相互作用(yong)(幺(yao)正)極限下的(de)超冷費(fei)米氣體(ti)以(yi)其(qi)純凈(jing)性(xing)和(he)可控(kong)性(xing)為贗(yan)(yan)能隙(xi)的(de)機(ji)理研(yan)究提供了(le)一個理想的(de)量子模(mo)擬(ni)平臺。一方(fang)面，費(fei)米原(yuan)子之(zhi)間的(de)強(qiang)吸引相互作用(yong)為多體(ti)配對(dui)創造了(le)有利條件;另一方(fang)面，該(gai)體(ti)系(xi)可以(yi)避免多種量子有序(xu)相之(zhi)間的(de)競爭。因此，能否在該(gai)體(ti)系(xi)中觀測到贗(yan)(yan)能隙(xi)，將成(cheng)為對(dui)多體(ti)配對(dui)機(ji)制的(de)決定性(xing)驗證。然(ran)而，這(zhe)一科學目標的(de)實現面臨著(zhu)兩項重大技術挑戰，也是以(yi)往的(de)工作一直未能取得突(tu)破的(de)原(yuan)因：首先，需要制備高(gao)品質、密度均(jun)勻的(de)幺(yao)正費(fei)米氣體(ti);其(qi)次(ci)，要在超冷原(yuan)子體(ti)系(xi)中開發類似角分辨光電子能譜(pu)的(de)測量技術。
經過多年的(de)(de)(de)(de)艱苦攻(gong)關，研(yan)究團隊(dui)建立了(le)(le)超冷(leng)鋰-鏑原(yuan)子量子模(mo)擬平臺，實現(xian)了(le)(le)世(shi)界領先的(de)(de)(de)(de)均勻(yun)費米氣體的(de)(de)(de)(de)制備。研(yan)究團隊(dui)還發展了(le)(le)大磁(ci)場(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定(ding)技術(shu)，在約700 G的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)下(xia)(xia)(xia)，其短期波動優于25 μG，相對(dui)磁(ci)場(chang)(chang)穩(wen)(wen)定(ding)度(du)接近10-8，比以(yi)往國際上的(de)(de)(de)(de)最優結果提(ti)升了(le)(le)一個數量級(ji)以(yi)上。在該超穩(wen)(wen)磁(ci)場(chang)(chang)下(xia)(xia)(xia)，研(yan)究團隊(dui)得以(yi)成功實現(xian)超冷(leng)原(yuan)子動量可分辨的(de)(de)(de)(de)微波譜(pu)學技術(shu)。在此基礎上，研(yan)究團隊(dui)系統地測(ce)量了(le)(le)不同(tong)溫度(du)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)幺正費米氣體的(de)(de)(de)(de)單粒子譜(pu)函數，并(bing)成功觀測(ce)到(dao)了(le)(le)贗能(neng)隙的(de)(de)(de)(de)存在，為電子預配(pei)對(dui)假說提(ti)供(gong)了(le)(le)支持(如圖2所示)。
圖(tu)2.單粒子譜示意。連接和獨立的小球分別代表庫珀對和單粒子，曲(qu)面間隙為贗(yan)能隙。/制圖(tu)：陳磊
該研(yan)(yan)究工(gong)作不僅(jin)推進了(le)強關聯多體(ti)系統(tong)的研(yan)(yan)究，也為完善多體(ti)理論(lun)提供了(le)重(zhong)要(yao)的實驗依據(ju)。此外，該工(gong)作中發展(zhan)的超(chao)(chao)冷原子量(liang)子調控技術(shu)為下一(yi)步研(yan)(yan)究其它重(zhong)要(yao)的凝聚態物理現(xian)象，如單(dan)帶超(chao)(chao)流(liu)、條紋相、FFLO超(chao)(chao)流(liu)等奠定了(le)技術(shu)基礎。Nature雜志(zhi)的審稿人(ren)一(yi)致認為，“這項工(gong)作解決了(le)一(yi)個長期存在的重(zhong)要(yao)物理問題，是量(liang)子模擬研(yan)(yan)究的里程碑進展(zhan)。”
中國(guo)科大相關研究團隊近(jin)年來(lai)在(zai)(zai)基于超(chao)冷原子(zi)的(de)(de)量(liang)子(zi)模擬(ni)方面開(kai)展了(le)卓(zhuo)有成效的(de)(de)工作(zuo)，已(yi)先后在(zai)(zai)Nature和Science發(fa)表(biao)了(le)10篇高質量(liang)論文。在(zai)(zai)前期技術積(ji)累的(de)(de)基礎上，超(chao)冷原子(zi)量(liang)子(zi)模擬(ni)已(yi)經開(kai)始顯現出揭示(shi)包括(kuo)高溫超(chao)導機制在(zai)(zai)內的(de)(de)復(fu)雜(za)物理系統規(gui)律的(de)(de)顯著效用(yong)，為(wei)在(zai)(zai)近(jin)期構建具備解決實際問題能力的(de)(de)專用(yong)量(liang)子(zi)模擬(ni)機鋪平(ping)了(le)道路。
斯威本(ben)科(ke)(ke)(ke)技(ji)大學胡輝和(he)中(zhong)國科(ke)(ke)(ke)學技(ji)術(shu)大學陳啟瑾是該工作(zuo)的(de)理論合(he)作(zuo)者。本(ben)項研(yan)究獲得了科(ke)(ke)(ke)技(ji)部、國家自然科(ke)(ke)(ke)學基金(jin)委、中(zhong)國科(ke)(ke)(ke)學院、安(an)徽(hui)省(sheng)、上(shang)海市和(he)新基石科(ke)(ke)(ke)學基金(jin)會等的(de)支持。
論文鏈接：//doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
(物理學(xue)院、合肥微尺度物質科(ke)學(xue)國(guo)家研(yan)究中心、中國(guo)科(ke)學(xue)院量(liang)子信息與量(liang)子科(ke)技創新研(yan)究院、科(ke)研(yan)部)
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