Pan Jianwei, Yao Xingcan, Chen Yuao en anderen van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China observeerden voor het eerst de pseudo-kloof die werd gegenereerd door het paren van veel lichamen, gebaseerd op het sterk op elkaar inwerkende uniforme Fermi-gas. Deze studie stelt voor het eerst het bestaan ​​van een pairing pseudogap vast, biedt ondersteuning voor de elektron-pre-pairing-hypothese in het supergeleidende mechanisme bij hoge temperaturen, zet een belangrijke stap in de richting van het begrijpen van het supergeleidende mechanisme bij hoge temperaturen, en is een voorbeeld van het gebruik van kwantumsimulatie om belangrijke fysieke problemen op te lossen. Op 8 februari werd dit resultaat gepubliceerd in het gezaghebbende internationale academische tijdschrift Nature onder de titel "Observation and quantification of pseudo-gap in unitary Fermi gas".


Figuur 1: De twee karpers met jadekralen op hun kop symboliseren een paar fermionen met tegengestelde spins; de drakenpoort vertegenwoordigt superfluïde faseovergang en pseudo-energiekloof. De karper sprong over het portaal, wat aangeeft dat het paren plaatsvindt boven de superfluïde fase-overgangstemperatuur. Dit koppelingsfenomeen leidt op zijn beurt tot het ontstaan ​​van pseudo-energiekloven. /Tekening: Chen Lei

Het ontstaan ​​van een energiekloof is het iconische fenomeen van supergeleiding. In conventionele supergeleiders bestaat de energiekloof onder de supergeleidende faseovergangstemperatuur. Met de ontdekking van cuprate hoge-temperatuur-supergeleiders kunnen zelfs boven de supergeleidende fase-overgangstemperatuur nog steeds energieverschillen worden waargenomen. Dit fenomeen wordt een pseudogap genoemd. De oorsprong en eigenschappen van de pseudogap kunnen belangrijke aanwijzingen opleveren om het mechanisme van supergeleiding bij hoge temperaturen te beantwoorden. Academische kringen zijn over het algemeen van mening dat er twee belangrijke mogelijke pseudogap-mechanismen zijn: het ene is afgeleid van het vooraf paren van elektronen uit meerdere lichamen boven de supergeleidende fase-overgangstemperatuur; de andere is afgeleid van verschillende kwantumgeordende fasen die worden aangetroffen in supergeleiders bij hoge temperaturen, zoals antiferromagnetische orde, streeporde en paringdichtheidsgolven. Omdat het echte supergeleidende materiaalsysteem bij hoge temperaturen echter zeer complex is en verschillende mogelijke bronnen van mechanismen met elkaar concurreren, is het niet duidelijk welk mechanisme aan het werk is.

Het ultrakoude Fermi-gas in de sterke interactielimiet (unitaire) biedt een ideaal kwantumsimulatieplatform voor de studie van het mechanisme van pseudogaps vanwege zijn zuiverheid en controleerbaarheid. Aan de ene kant creëert de sterke aantrekkelijke interactie tussen Fermi-atomen gunstige omstandigheden voor het paren van veel lichamen; aan de andere kant kan het systeem concurrentie tussen meerdere kwantumgeordende fasen vermijden. Daarom zal de vraag of er in dit systeem een ​​pseudo-gap kan worden waargenomen een beslissende verificatie worden van het veel-lichamen-koppelingsmechanisme. De realisatie van dit wetenschappelijke doel wordt echter geconfronteerd met twee grote technische uitdagingen, die ook de redenen zijn waarom eerder werk geen doorbraken heeft opgeleverd: ten eerste is het noodzakelijk om unitair Fermi-gas van hoge kwaliteit met uniforme dichtheid te bereiden; ten tweede is het noodzakelijk om meettechnologie te ontwikkelen die vergelijkbaar is met hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie in ultrakoude atomaire systemen.

Na jaren van hard werken heeft het onderzoeksteam een ​​ultrakoud lithium-dysprosium atomair kwantumsimulatieplatform opgezet en 's werelds toonaangevende bereiding van uniform Fermi-gas bereikt. Het onderzoeksteam heeft ook stabilisatietechnologie ontwikkeld voor grote magnetische velden. Onder een magnetisch veld van ongeveer 700G is de kortetermijnfluctuatie beter dan 25μG, en de relatieve magnetische veldstabiliteit ligt dicht bij 10-8, wat meer dan een orde van grootte hoger is dan de eerdere internationale beste resultaten. Onder dit ultrastabiele magnetische veld kon het onderzoeksteam met succes microgolfspectroscopietechnologie implementeren die het momentum van ultrakoude atomen kan bepalen. Op basis hiervan heeft het onderzoeksteam systematisch de spectrale functie van één deeltje van unitair Fermi-gas bij verschillende temperaturen gemeten en met succes het bestaan ​​van een pseudogap waargenomen, die ondersteuning bood voor de hypothese van elektron-pre-pairing (zoals weergegeven in figuur 2).


Figuur 2. Schematische weergave van het spectrum van enkele deeltjes. De verbonden en onafhankelijke ballen vertegenwoordigen respectievelijk Cooper-paren en enkele deeltjes, en de oppervlakteopening is de pseudo-energiekloof. /Tekening: Chen Lei

Dit onderzoekswerk bevordert niet alleen de studie van sterk gecorreleerde meerlichamensystemen, maar biedt ook een belangrijke experimentele basis voor het verbeteren van de meerlichamentheorie. Bovendien heeft de in dit werk ontwikkelde kwantumcontroletechnologie voor ultrakoude atomen een technische basis gelegd voor de volgende stap in het bestuderen van andere belangrijke natuurkundige verschijnselen van de gecondenseerde materie, zoals single-band superfluïditeit, streepfase, FFLO-superfluïditeit, enz. De recensenten van het tijdschrift Nature waren het er unaniem over eens dat "dit werk een belangrijk al lang bestaand fysiek probleem oplost en een mijlpaal is in kwantumsimulatieonderzoek."

Relevante onderzoeksteams van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China hebben de afgelopen jaren vruchtbaar werk verricht op het gebied van kwantumsimulaties op basis van ultrakoude atomen, en hebben tien hoogwaardige artikelen gepubliceerd in Nature and Science. Gebaseerd op de opeenstapeling van eerdere technologieën, begint kwantumsimulatie met ultrakoude atomen aanzienlijke effectiviteit te vertonen bij het onthullen van de wetten van complexe fysieke systemen, waaronder supergeleidende mechanismen bij hoge temperaturen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de constructie van een speciale kwantumsimulator die in de nabije toekomst praktische problemen kan oplossen.

Hu Hui van de Swinburne University of Technology en Chen Qijin van de University of Science and Technology of China werken theoretisch samen aan dit werk. Dit onderzoek werd ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en Technologie, de National Natural Science Foundation of China, de Chinese Academie van Wetenschappen, de provincie Anhui, de gemeente Shanghai en de New Cornerstone Science Foundation.

Papieren link: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y

(School of Physics, Hefei National Research Center for Microscale Physical Sciences, Institute of Quantum Information and Quantum Technology Innovation, Chinese Academie van Wetenschappen, Onderzoeksafdeling)