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微信公眾號“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)”2月8日消息，中國科學(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(jī)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(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范例。2月8日，該成果以“幺正費(fèi)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(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(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；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(jī)制來源相互競爭，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)理研究提供了一個理想的量子模擬平臺。一方面，費(fèi)米原子之間的強(qiáng)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(jī)制的決定性驗證。然而，這一科學(xué)目標(biāo)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(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量技術(shù)。

經(jīng)過多年的艱苦攻關(guān)，研究團(tuán)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(fèi)米氣體的制備。研究團(tuán)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10-8，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(tuán)隊得以成功實現(xiàn)超冷原子動量可分辨的微波譜學(xué)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊系統(tǒng)地測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(dú)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(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(rèn)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(jìn)展?！?

中國科大相關(guān)研究團(tuán)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(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)胡輝和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)基金委、中科院、安徽省、上海市和新基石科學(xué)基金會等的支持。