向理解高溫超導(dǎo)機理邁出重要一步，中國科學家首次觀測到

微信公眾號“中國科學技術(shù)大學”2月8日消息，中國科學技術(shù)大學潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強相互作用的均勻費米氣體，首次觀測到了由多體配對產(chǎn)生的贗能隙。這項研究首次確立了配對贗能隙的存在，為高溫超導(dǎo)機理中的電子預(yù)配對假說提供了支持，朝向理解高溫超導(dǎo)機理邁出了重要一步，是利用量子模擬解決重要物理問題的一個范例。2月8日，該成果以“幺正費米氣體中贗能隙的觀測和量化”為題發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊Nature上。

圖1：圖中頭頂玉珠的兩條鯉魚，象征著一對自旋相反的費米子；龍門代表了超流相變和贗能隙。鯉魚躍過龍門，表明配對發(fā)生在超流相變溫度以上。這種配對現(xiàn)象反過來又導(dǎo)致贗能隙的出現(xiàn)。

能隙的產(chǎn)生是超導(dǎo)的標志性現(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)的機理問題提供關(guān)鍵線索。學術(shù)界普遍認為主要存在兩種可能的贗能隙機制：一是來源于超導(dǎo)相變溫度以上的電子多體預(yù)配對；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、條紋序和配對密度波等。但由于真實的高溫超導(dǎo)材料體系非常復(fù)雜，各種可能的機制來源相互競爭，一直無法明確究竟是何種機制在起作用。

強相互作用（幺正）極限下的超冷費米氣體以其純凈性和可控性為贗能隙的機理研究提供了一個理想的量子模擬平臺。一方面，費米原子之間的強吸引相互作用為多體配對創(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爭。因此，能否在該體系中觀測到贗能隙，將成為對多體配對機制的決定性驗證。然而，這一科學目標的實現(xiàn)面臨著兩項重大技術(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量技術(shù)。

經(jīng)過多年的艱苦攻關(guān)，研究團隊建立了超冷鋰鏑原子量子模擬平臺，實現(xiàn)了世界領(lǐng)先的均勻費米氣體的制備。研究團隊還發(fā)展了大磁場的穩(wěn)定技術(shù)，在約700 G的磁場下，其短期波動優(yōu)于25 μG，相對磁場穩(wěn)定度接近108，比以往國際上的最優(yōu)結(jié)果提升了一個數(shù)量級以上。在該超穩(wěn)磁場下，研究團隊得以成功實現(xiàn)超冷原子動量可分辨的微波譜學技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究團隊系統(tǒng)地測量了不同溫度下的幺正費米氣體的單粒子譜函數(shù)，并成功觀測到了贗能隙的存在，為電子預(yù)配對假說提供了支持（如圖2所示）。

圖2.單粒子譜示意。連接和獨立的小球分別代表庫珀對和單粒子，曲面間隙為贗能隙。

該研究工作不僅推進了強關(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驗依據(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為，“這項工作解決了一個長期存在的重要物理問題，是量子模擬研究的里程碑進展。”

中國科大相關(guān)研究團隊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)建具備解決實際問題能力的專用量子模擬機鋪平了道路。

斯威本科技大學胡輝和中國科學技術(shù)大學陳啟瑾是該工作的理論合作者。本項研究獲得了科技部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省、上海市和新基石科學基金會等的支持。