Пан Цзяньвэй, Яо Синцань, Чэнь Юао и другие из Университета науки и технологий Китая впервые наблюдали псевдощель, возникающую в результате спаривания многих тел на основе сильно взаимодействующего однородного ферми-газа. Это исследование впервые устанавливает существование спаривающей псевдощели, обеспечивает поддержку гипотезы предварительного спаривания электронов в механизме высокотемпературного сверхпроводника, делает важный шаг на пути к пониманию механизма высокотемпературного сверхпроводника и является примером использования квантового моделирования для решения важных физических проблем. 8 февраля этот результат был опубликован в авторитетном международном академическом журнале Nature под заголовком «Наблюдение и количественная оценка псевдощели в унитарном ферми-газе».


Рисунок 1: Два карпа с нефритовыми бусинами на головах символизируют пару фермионов с противоположными спинами; Ворота дракона представляют собой сверхтекучий фазовый переход и псевдоэнергетическую щель. Карп перепрыгнул через портал, что указывает на то, что спаривание происходит выше температуры сверхтекучего фазового перехода. Это явление спаривания, в свою очередь, приводит к возникновению псевдоэнергетических щелей. /Рисунок: Чэнь Лэй

Генерация энергетической щели — знаковое явление сверхпроводимости. В обычных сверхпроводниках энергетическая щель существует ниже температуры сверхпроводящего фазового перехода. С открытием купратных высокотемпературных сверхпроводников энергетические щели все еще можно наблюдать даже выше температуры сверхпроводящего фазового перехода. Это явление называется псевдощелью. Происхождение и свойства псевдощели могут дать ключ к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости. В академических кругах обычно полагают, что существует два основных возможных механизма псевдощели: один связан с предварительным спариванием нескольких тел выше температуры сверхпроводящего фазового перехода; другой получен из различных квантово-упорядоченных фаз, обнаруженных в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как антиферромагнитный порядок, полосовый порядок и волны плотности спаривания. Однако, поскольку реальная система высокотемпературных сверхпроводящих материалов очень сложна и различные возможные источники механизмов конкурируют друг с другом, неясно, какой механизм работает.

Ультрахолодный ферми-газ в пределе сильного взаимодействия (унитарный) обеспечивает идеальную платформу квантового моделирования для изучения механизма псевдощелей благодаря своей чистоте и управляемости. С одной стороны, сильное притягивающее взаимодействие между ферми-атомами создает благоприятные условия для многочастичного спаривания; с другой стороны, система может избежать конкуренции между несколькими квантовоупорядоченными фазами. Поэтому вопрос о том, можно ли наблюдать псевдощель в этой системе, станет решающей проверкой механизма спаривания многих тел. Однако реализация этой научной цели сталкивается с двумя основными техническими проблемами, которые также являются причинами того, что предыдущие работы не привели к прорывам: во-первых, необходимо подготовить высококачественный унитарный ферми-газ одинаковой плотности; во-вторых, необходимо разработать технологию измерений, подобную фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением в ультрахолодных атомных системах.

После многих лет напряженной работы исследовательская группа создала платформу для ультрахолодного атомного квантового моделирования лития-диспрозия и добилась лучшего в мире получения однородного ферми-газа. Исследовательская группа также разработала технологию стабилизации сильных магнитных полей. В магнитном поле силой около 700 Гс его кратковременные колебания лучше 25 мкГс, а относительная стабильность магнитного поля близка к 10-8, что более чем на порядок выше предыдущих лучших международных результатов. В этом сверхстабильном магнитном поле исследовательская группа смогла успешно реализовать технологию микроволновой спектроскопии, которая может определить импульс ультрахолодных атомов. На этом основании исследовательская группа систематически измеряла одночастичную спектральную функцию унитарного ферми-газа при различных температурах и успешно наблюдала существование псевдощели, что подтвердило гипотезу о предварительном спаривании электронов (как показано на рисунке 2).


Рисунок 2. Схема спектра одной частицы. Связанные и независимые шары представляют собой куперовские пары и отдельные частицы соответственно, а поверхностная щель представляет собой псевдоэнергетическую щель. /Рисунок: Чэнь Лэй

Эта исследовательская работа не только продвигает изучение сильно коррелированных систем многих тел, но также обеспечивает важную экспериментальную основу для улучшения теории многих тел. Кроме того, разработанная в этой работе технология квантового управления ультрахолодными атомами заложила техническую основу для следующего шага изучения других важных явлений физики конденсированного состояния, таких как однозонная сверхтекучесть, полосовая фаза, сверхтекучесть FFLO и т. д. Рецензенты журнала Nature единогласно согласились, что «эта работа решает важную давнюю физическую проблему и является важной вехой в исследованиях квантового моделирования».

Соответствующие исследовательские группы Университета науки и технологий Китая в последние годы провели плодотворную работу по квантовому моделированию на основе ультрахолодных атомов и опубликовали 10 высококачественных статей в журналах Nature and Science. Основываясь на накоплении предыдущих технологий, квантовое моделирование ультрахолодных атомов начало показывать значительную эффективность в раскрытии законов сложных физических систем, включая механизмы высокотемпературных сверхпроводников, открывая путь к созданию специализированного квантового симулятора, способного решать практические задачи в ближайшем будущем.

Ху Хуэй из Технологического университета Суинберна и Чэнь Цицзинь из Университета науки и технологий Китая являются теоретическими сотрудниками этой работы. Это исследование было поддержано Министерством науки и технологий, Национальным фондом естественных наук Китая, Китайской академией наук, провинцией Аньхой, муниципалитетом Шанхая и научным фондом New Cornerstone.

Ссылка на документ: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y.

(Школа физики, Хэфэйский национальный исследовательский центр микромасштабных физических наук, Институт квантовой информации и инноваций в квантовых технологиях, Китайская академия наук, исследовательский отдел)