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            量子模擬取得新突破!中國(guó)科學(xué)家首次觀測(cè)到多體配對(duì)贗能隙

            2024-02-09 15:02:11 來(lái)源:央廣網(wǎng)

            央廣網(wǎng)合肥2月8日消息(記者鮑玉嬋)記者2月8日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,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。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。

            據(jù)悉,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(shuō)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(wèn)題的一個(gè)范例。

            圖中頭頂玉珠的兩條鯉魚(yú),象征著一對(duì)自旋相反的費(fèi)米子;龍門(mén)代表了超流相變和贗能隙。鯉魚(yú)躍過(guò)龍門(mén),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(guò)來(lái)又導(dǎo)致贗能隙的出現(xiàn)。(央廣網(wǎng)發(fā) 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(chēng)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(wèn)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(lái)源于超導(dǎo)相變溫度以上的電子多體預(yù)配對(duì);二是來(lái)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(lái)源相互競(jìng)爭(zhēng),一直無(wú)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(kāi)發(fā)類(lèi)似角分辨光電子能譜的測(cè)量技術(shù)。

            經(jīng)過(guò)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700G(高斯)的磁場(chǎng)下,其短期波動(dòng)優(yōu)于25μG(微高斯),相對(duì)磁場(chǎng)穩(wěn)定度接近10-8(10的負(fù)8次方),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(shuō)提供了支持。

            單粒子譜示意。連接和獨(dú)立的小球分別代表庫(kù)珀對(duì)和單粒子,曲面間隙為贗能隙。(央廣網(wǎng)發(fā) 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(wèn)題,是量子模擬研究的里程碑進(jìn)展。”

            [編輯: 崔安坤 審核:王小明 戎小平 ]
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