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中國科學技術大學潘建偉、姚星燦、陳宇翱等，基于強相互作用的均勻費米氣體，首次觀測到由多體配對產(chǎn)生的贗能隙。這一研究首次確立了配對贗能隙的存在，為高溫超導機理中的電子預配對假說提供了支持，向探索高溫超導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范例。2月8日，相關研究成果以《幺正費米氣體中贗能隙的觀測和量化》為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

能隙的產(chǎn)生是超導的標志性現(xiàn)象。在常規(guī)超導體中，能隙存在于超導相變溫度以下。隨著銅氧化物高溫超導體的發(fā)現(xiàn)，超導相變溫度以上的能隙仍能夠被觀測到。這種現(xiàn)象被稱為贗能隙。贗能隙的起源和性質可以為解答高溫超導的機理問題提供關鍵線索。學術界普遍認為主要存在兩種可能的贗能隙機制：一是來源于超導相變溫度以上的電子多體預配對；二是來源于在高溫超導體中發(fā)現(xiàn)的多種量子有序相，如反鐵磁序、條紋序和配對密度波等。而由于真實的高溫超導材料體系復雜，各種可能的機制來源相互競爭，無法明確是何種機制發(fā)揮作用。

強相互作用（幺正）極限下的超冷費米氣體以純凈性和可控性為贗能隙的機理研究提供了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)面臨著兩項重要技術挑戰(zhàn)，也是以往工作未能取得突破的原因：需要制備高品質、密度均勻的幺正費米氣體；需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。

經(jīng)過多年攻關，該團隊建立了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，實現(xiàn)了世界領先的均勻費米氣體的制備。該團隊發(fā)展了大磁場的穩(wěn)定技術，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)結果提升了一個數(shù)量級以上。在這一超穩(wěn)磁場下，該研究實現(xiàn)了超冷原子動量可分辨的微波譜學技術。在此基礎上，研究系統(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)，并觀測到贗能隙的存在，為電子預配對假說提供了支持。

這一成果推進了強關聯(lián)多體系統(tǒng)的研究，并為完善多體理論提供了重要的實驗依據(jù)。此外，該工作發(fā)展的超冷原子量子調控技術為下一步研究其他重要的凝聚態(tài)物理現(xiàn)象如單帶超流、條紋相、FFLO超流等，奠定了技術基礎。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?！?/p>

在前期技術積累的基礎上，超冷原子量子模擬顯現(xiàn)出揭示包括高溫超導機制在內的復雜物理系統(tǒng)規(guī)律的效用，為在近期構建具備解決實際問題能力的專用量子模擬機鋪平了道路。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、安徽省、上海市等的支持。

論文鏈接

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)象反過來導致贗能隙的出現(xiàn)。制圖：陳磊

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。制圖：陳磊