用超冷费米子解开量子超导的奥秘

研究人员最终观察到了酉费米气体中的多体配对伪间隙，推进了我们对超导机制的理解。

由中国科学院中国科学技术大学（USTC）的潘建伟教授、姚兴灿教授和陈玉奥教授领导的研究团队首次观测并定量表征了酉费米气体中的多体配对赝隙。

这一成就被超冷原子界追求了近二十年，解决了长期以来关于这些气体中存在配对伪间隙的争论。 它还支持在预制对超导理论的框架内，配对作为高温超导体中赝间隙的可能起源。

这项研究于2月7日发表在《自然》杂志上，恰逢即将到来的龙年。 有趣的是，这一成就背后的物理原理可以通过标志性的中国神话“鲤鱼跳龙门”来生动地说明，这象征着中国文化的巨大成功。

揭开超导的神秘面纱

能隙的存在是超导性的标志性现象。 在传统的超导体中，能隙存在于超导转变温度（T_c）以下。 值得注意的是，在铜酸盐高温超导体中，即使在T_c以上仍然可以观察到能隙，这种现象称为赝隙。

了解赝隙的起源和性质对于掌握高温超导的机理至关重要，特别是关于库珀对如何形成和建立长程相相干性。

关于伪间隙的起源有两个主要假设：它是由强烈的电子对波动引起的，表现为在 T_c 以上的预形成电子对，并作为相干对凝聚的前体; 它产生于高温超导体中的各种量子有序，如反铁磁有序、条纹相和对密度波。 然而，高温超导材料的复杂性使这些问题在很大程度上没有得到解答。

量子模拟带来新曙光

酉费米气体为研究配对赝隙的存在和特征提供了一个理想的量子模拟平台。 这可能归因于它们前所未有的可控性、纯度，最重要的是，存在已知的短程吸引力相互作用。

此外，块状费米气体中没有晶格结构消除了竞争量子阶数的影响。 在这种情况下，以前的实验已经测量了强相互作用的费米气体的陷阱平均单粒子光谱函数。

然而，这些实验并没有提供令人信服的伪间隙证据，这主要是由于陷阱的不均匀性以及常用射频光谱中最终状态相互作用引起的严重问题。

经过多年的潜心研究，中国科学技术大学研究团队建立了利用超冷锂和镝原子的量子模拟平台，并实现了最先进的均相费米气体制备。

此外，该团队还开发了新技术来稳定所需的磁场。 在大约 700 G 的磁场下，实现的短期波动低于 25 μG，从而实现了创纪录的相对磁场稳定性。 这种超稳定的磁场使研究团队能够利用微波脉冲将原子激发到不与初始状态相互作用的高能量状态，从而实现动量分辨光发射光谱。

通过这两项关键的技术突破，研究团队系统地测量了不同温度下酉费米气体的单粒子光谱函数，并观察到配对伪间隙的存在，为预制配对作为超流体前体的作用提供了支持。

此外，研究小组从测量的光谱函数中确定了配对间隙、对寿命和单粒子散射率，这些都是表征强相互作用量子系统行为的基本量。 这些发现不仅推进了对强相关系统的研究，而且为建立适当的多体理论提供了有价值的见解和信息。

本文开发的技术为未来探索和研究其他重要的低温量子相奠定了基础，如单波段超流体、条纹相和Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov超流体。