人民網(wǎng)北京2月8日電 （記者李依環(huán)）記者今天從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，近日，該校潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強(qiáng)相互作用的均勻費(fèi)米氣體，首次觀測(cè)到了由多體配對(duì)產(chǎn)生的贗能隙。該成果8日以“幺正費(fèi)米氣體中贗能隙的觀測(cè)和量化”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
據(jù)介紹，這項(xiàng)研究首次確立了配對(duì)贗能隙的存在，為高溫超導(dǎo)機(jī)理中的電子預(yù)配對(duì)假說提供了支持，朝向理解高溫超導(dǎo)機(jī)理邁出了重要一步，是利用量子模擬解決重要物理問題的一個(gè)范例。
圖中頭頂玉珠的兩條鯉魚，象征著一對(duì)自旋相反的費(fèi)米子；龍門代表了超流相變和贗能隙。鯉魚躍過龍門，表明配對(duì)發(fā)生在超流相變溫度以上。這種配對(duì)現(xiàn)象反過來又導(dǎo)致贗能隙的出現(xiàn)。陳磊 制圖
能隙的產(chǎn)生是超導(dǎo)的標(biāo)志性現(xiàn)象。在常規(guī)超導(dǎo)體中，能隙存在于超導(dǎo)相變溫度以下。隨著銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，即使在超導(dǎo)相變溫度以上，能隙仍然能夠被觀測(cè)到，這種現(xiàn)象被稱為贗能隙。贗能隙的起源和性質(zhì)可以為解答高溫超導(dǎo)的機(jī)理問題提供關(guān)鍵線索。
學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為主要存在兩種可能的贗能隙機(jī)制：一是來源于超導(dǎo)相變溫度以上的電子多體預(yù)配對(duì)；二是來源于在高溫超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的多種量子有序相，例如反鐵磁序、條紋序和配對(duì)密度波等。但由于真實(shí)的高溫超導(dǎo)材料體系非常復(fù)雜，各種可能的機(jī)制來源相互競(jìng)爭(zhēng)，一直無法明確究竟是何種機(jī)制在起作用。
單粒子譜示意。連接和獨(dú)立的小球分別代表庫珀對(duì)和單粒子，曲面間隙為贗能隙。陳磊 制圖
強(qiáng)相互作用（幺正）極限下的超冷費(fèi)米氣體以其純凈性和可控性為贗能隙的機(jī)理研究提供了一個(gè)理想的量子模擬平臺(tái)。一方面，費(fèi)米原子之間的強(qiáng)吸引相互作用為多體配對(duì)創(chuàng)造了有利條件；另一方面，該體系可以避免多種量子有序相之間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，能否在該體系中觀測(cè)到贗能隙，將成為對(duì)多體配對(duì)機(jī)制的決定性驗(yàn)證。
然而，這一科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)面臨著兩項(xiàng)重大技術(shù)挑戰(zhàn)，也是以往的工作一直未能取得突破的原因：首先，需要制備高品質(zhì)、密度均勻的幺正費(fèi)米氣體；其次，要在超冷原子體系中開發(fā)類似角分辨光電子能譜的測(cè)量技術(shù)。
科研團(tuán)隊(duì)。校方供圖
經(jīng)過多年的艱苦攻關(guān)，該研究團(tuán)隊(duì)建立了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費(fèi)米氣體的制備。研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了大磁場(chǎng)的穩(wěn)定技術(shù)，在約700G的磁場(chǎng)下，其短期波動(dòng)優(yōu)于25μG，相對(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定度接近10-8，比以往國際上的最優(yōu)結(jié)果提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在該超穩(wěn)磁場(chǎng)下，研究團(tuán)隊(duì)得以成功實(shí)現(xiàn)超冷原子動(dòng)量可分辨的微波譜學(xué)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地測(cè)量了不同溫度下的幺正費(fèi)米氣體的單粒子譜函數(shù)，并成功觀測(cè)到了贗能隙的存在，為電子預(yù)配對(duì)假說提供了支持。
該研究工作不僅推進(jìn)了強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)的研究，也為完善多體理論提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，該工作中發(fā)展的超冷原子量子調(diào)控技術(shù)為下一步研究其它重要的凝聚態(tài)物理現(xiàn)象，如單帶超流、條紋相、FFLO超流等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。Nature雜志的審稿人一致認(rèn)為，“這項(xiàng)工作解決了一個(gè)長期存在的重要物理問題，是量子模擬研究的里程碑進(jìn)展。”