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科学家首次观测到多体配对赝能隙

中国科学报

发布时间: 2024-02-08 20:03:58 1098次浏览

本报讯（记者王敏）中国科学技术大学潘建伟院士、姚星灿教授、陈宇翱教授等人基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到由多体配对产生的赝能隙。这项研究首次确定了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持，向理解高温超导机理迈出了重要一步，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月8日，该研究成果发表于《自然》。

单粒子谱示意图。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子，曲面间隙为赝能隙。陈磊/制图

能隙的产生是超导的标志性现象。在常规超导体中，能隙存在于超导相变温度以下。随着铜氧化物高温超导体的发现，即使在超导相变温度以上，能隙仍然能够被观测到，这种现象被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质可为解答高温超导的机理问题提供关键线索。学术界普遍认为主要存在两种可能的赝能隙机制：一是来源于超导相变温度以上的电子多体预配对；二是来源于在高温超导体中发现的多种量子有序相。但是，由于真实的高温超导材料体系非常复杂，各种可能的机制来源相互竞争，一直无法明确究竟是何种机制在起作用。

强相互作用极限下的超冷费米气体以其纯净性和可控性为赝能隙的机理研究提供了一个理想的量子模拟平台。然而，这一科学目标的实现面临两项重大技术挑战——首先，需要制备高品质、密度均匀的幺正费米气体；其次，要在超冷原子体系中开发类似角分辨光电子能谱的测量技术。

经过多年艰苦攻关，研究团队建立了超冷锂-镝原子量子模拟平台，实现了世界领先的均匀费米气体的制备。研究团队还发展了大磁场的稳定技术，在约700高斯的磁场下，其相对磁场稳定度接近10-8，比以往国际上的最优结果提升了一个数量级以上。在该超稳磁场下，研究团队得以成功实现超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上，研究团队系统测量了不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数，并成功观测到了赝能隙的存在，为电子预配对假说提供了支持。