中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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,。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。2月8日,，該成果以“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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature上。
圖1：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)。/制圖：陳磊
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,。
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)。
經(jīng)過多年的艱苦攻關(guān),，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700 G的磁場(chǎng)下,，其短期波動(dòng)優(yōu)于25 μG，相對(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定度接近10-8,，比以往國(guó)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（如圖2所示）,。
圖2.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,。/制圖：陳磊
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(zhǎng)期存在的重要物理問題,，是量子模擬研究的里程碑進(jìn)展?！?/p>
中國(guó)科大相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)近年來在基于超冷原子的量子模擬方面開展了卓有成效的工作,，已先后在Nature和Science發(fā)表了10篇高質(zhì)量論文。在前期技術(shù)積累的基礎(chǔ)上,，超冷原子量子模擬已經(jīng)開始顯現(xiàn)出揭示包括高溫超導(dǎo)機(jī)制在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)規(guī)律的顯著效用,，為在近期構(gòu)建具備解決實(shí)際問題能力的專用量子模擬機(jī)鋪平了道路。
斯威本科技大學(xué)胡輝和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳啟瑾是該工作的理論合作者,。本項(xiàng)研究獲得了科技部,、國(guó)家自然科學(xué)基金委,、中國(guó)科學(xué)院、安徽省,、上海市和新基石科學(xué)基金會(huì)等的支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
（物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心,、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院,、科研部）
