En forskargrupp har för första gången observerat och kvantitativt karakteriserat pseudogapen med många kroppar i enhetliga Fermi-gaser. Denna prestation, som eftersträvats av det ultrakalla atomsamhället i nästan två decennier, löser långvariga debatter om förekomsten av en parad pseudogap i dessa gaser. Den stöder också parning som ett möjligt ursprung för pseudogapen i högtemperatursupraledare, inom ramen för förformade parsupraledningsteori.
Publicerad i Nature den 7 februari sammanfaller studien, ledd av professorerna Pan Jianwei, Yao Xingcan och Chen Yu'ao från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin, med det kommande Drakens år. Intressant nog kan fysiken bakom denna prestation levande illustreras av den ikoniska kinesiska myten om "Carp Jumping Over the Dragon Gate", som symboliserar stor framgång i kinesisk kultur.
Förekomsten av ett energigap är ett kännetecknande fenomen för supraledning. I konventionella supraledare finns energigapet under den supraledande övergångstemperaturen (Tc ). I cuprate-högtemperatursupraledare kan energigapet fortfarande observeras även över Tc , ett fenomen som kallas pseudogap.
Att förstå pseudogapens ursprung och natur är avgörande för att förstå mekanismen för högtemperatursupraledning, särskilt när det gäller hur Cooper-par bildas och etablerar faskoherens på lång räckvidd.
Det finns två huvudhypoteser för pseudogapens ursprung:Det är ett resultat av starka parfluktuationer, som manifesterar sig som förformade elektronpar ovanför Tc och fungerar som en prekursor till koherent parkondensation; och det uppstår från olika kvantordningar i högtemperatursupraledare, såsom den antiferromagnetiska ordningen, bandfasen och pardensitetsvågen. Ändå lämnar komplexiteten hos supraledande material vid hög temperatur dessa frågor i stort sett obesvarade.
Unitära Fermi-gaser tillhandahåller en idealisk kvantsimuleringsplattform för att undersöka existensen och egenskaperna hos en parningspseudogap. Detta kan tillskrivas deras oöverträffade kontrollerbarhet, renhet och, viktigast av allt, närvaron av kända attraktiva interaktioner på kort räckvidd. Dessutom eliminerar frånvaron av en gitterstruktur i bulk Fermi-gaser påverkan av konkurrerande kvantorder.
I detta sammanhang har tidigare experiment mätt den fällmedelvärde spektrala funktionen av en partikel av starkt interagerande Fermi-gaser. Dessa experiment har dock inte gett övertygande bevis för en pseudogap, främst på grund av fällans inhomogenitet och allvarliga problem som uppstår från sluttillståndsinteraktioner i den ofta använda rf-spektroskopin.
Efter år av dedikerat arbete har USTC:s forskargrupp etablerat en kvantsimuleringsplattform med hjälp av ultrakalla litium- och dysprosiumatomer, och har uppnått en toppmodern beredning av homogena Fermi-gaser (Science ). Dessutom utvecklade detta team nya tekniker för att stabilisera de magnetiska fälten som krävs.
Vid ett magnetfält på cirka 700 G är de kortsiktiga fluktuationerna som uppnås under 25 μG, vilket resulterar i en rekordhög relativ magnetfältstabilitet. Detta ultrastabila magnetfält gjorde det möjligt för forskargruppen att använda mikrovågspulser för att excitera atomer till högt belägna energitillstånd som inte interagerar med initialtillstånden, och därigenom realisera momentumupplöst fotoemissionsspektroskopi.
Med dessa två avgörande tekniska genombrott mätte forskargruppen systematiskt den enpartikelspektrala funktionen hos enhetliga Fermi-gaser vid olika temperaturer och observerade förekomsten av parningspseudogap, vilket gav stöd för rollen av förformad parning som en föregångare till superfluiditet.
Vidare fastställde forskargruppen parningsgapet, parlivslängden och spridningshastigheten för en partikel från den uppmätta spektralfunktionen, vilka är väsentliga storheter för att karakterisera beteendet hos starkt interagerande kvantsystem.
Dessa fynd främjar inte bara studiet av starkt korrelerade system, utan ger också värdefulla insikter och information för att etablera en riktig mångkroppsteori.
Teknikerna som utvecklats i detta arbete lägger grunden för framtida utforskning och studier av andra viktiga lågtemperaturkvantfaser, såsom enkelbandssuperfluiditet, randfaser och Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikovs superfluiditet.
Mer information: Jian-Wei Pan, Observation och kvantifiering av pseudogapen i enhetliga Fermi-gaser, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
