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中国科大首次观测到多体配对赝能隙

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中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等,基于强相互作用的均匀费米气体,首次观测到由多体配对产生的赝能隙。这一研究首次确立了配对赝能隙的存在,为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持,向探索高温超导机理迈出了重要一步,是利用量子模拟解决重要物理问题的范例。2月8日,相关研究成果以《幺正费米气体中赝能隙的观测和量化》为题,发表在《自然》(Nature)上。

能隙的产生是超导的标志性现象。在常规超导体中,能隙存在于超导相变温度以下。随着铜氧化物高温超导体的发现,超导相变温度以上的能隙仍能够被观测到。这种现象被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质可以为解答高温超导的机理问题提供关键线索。学术界普遍认为主要存在两种可能的赝能隙机制:一是来源于超导相变温度以上的电子多体预配对;二是来源于在高温超导体中发现的多种量子有序相,如反铁磁序、条纹序和配对密度波等。而由于真实的高温超导材料体系复杂,各种可能的机制来源相互竞争,无法明确是何种机制发挥作用。

强相互作用(幺正)极限下的超冷费米气体以纯净性和可控性为赝能隙的机理研究提供了理想的量子模拟平台。一方面,费米原子之间的强吸引相互作用为多体配对创造了有利条件;另一方面,该体系可以避免多种量子有序相之间的竞争。因此,能否在该体系中观测到赝能隙,将成为对多体配对机制的决定性验证。然而,这一科学目标的实现面临着两项重要技术挑战,也是以往工作未能取得突破的原因:需要制备高品质、密度均匀的幺正费米气体;需要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。

经过多年攻关,该团队建立了超冷锂-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。该团队发展了大磁场的稳定技术,在约700 G的磁场下,其短期波动优于25 μG,相对磁场稳定度接近10-8,比以往国际上的最优结果提升了一个数量级以上。在这一超稳磁场下,该研究实现了超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上,研究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。

这一成果推进了强关联多体系统的研究,并为完善多体理论提供了重要的实验依据。此外,该工作发展的超冷原子量子调控技术为下一步研究其他重要的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,是量子模拟研究的里程碑进展。”

在前期技术积累的基础上,超冷原子量子模拟显现出揭示包括高温超导机制在内的复杂物理系统规律的效用,为在近期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。

论文链接

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

 

研究团队单位:中国科学技术大学
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分类标签: 赝能隙 多体配对 科学进展

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