中國科大首次觀測到多體配對贗能隙

【中國科學技術大學的潘建偉、姚星燦、陳宇翱等科學家們，在基于強相互作用的均勻費米氣體研究中取得突破，首次觀測到由多體配對產生的贗能隙。這項研究在《自然》雜志上發表，題為《幺正費米氣體中贗能隙的觀測和量化》。

能隙的產生是超導的典型特征，通常存在于超導相變溫度以下。然而，銅氧化物高溫超導體的發現表明，超導相變溫度以上仍然存在能隙，被稱為贗能隙。贗能隙的起源和性質對于理解高溫超導機理至關重要。學術界普遍認為贗能隙可能源自超導相變溫度以上的電子多體預配對或在高溫超導體中出現的多種量子有序相，如反鐵磁序、條紋序和配對密度波等。然而，由于真實高溫超導材料的復雜性，各種可能的機制相互競爭，難以明確哪種機制起作用。

在強相互作用（幺正）極限下的超冷費米氣體中進行研究提供了理想的量子模擬平臺。這種體系具有費米原子之間強烈吸引相互作用的特點，為多體配對創造了有利條件，并且可以避免多種量子有序相之間的競爭。因此，在這個體系中觀測到贗能隙將為多體配對機制提供決定性驗證。然而，實現這一科學目標面臨兩個重要技術挑戰：制備高品質、密度均勻的幺正費米氣體和在超冷原子體系中開發類似角分辨光電子能譜的測量技術。

該研究團隊通過多年努力，建立了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，實現了世界領先的均勻費米氣體的制備。他們還發展了高度穩定的大磁場技術，使得在約700 G的磁場下，短期波動優于25 μG，相對磁場穩定度接近10-8，比過去的最優結果提升了一個數量級以上。在這個超穩磁場下，研究團隊實現了超冷原子動量可分辨的微波譜學技術。基于這一技術，他們系統地測量了不同溫度下的幺正費米氣體的單粒子譜函數，并觀測到贗能隙的存在，為電子預配對假說提供了支持。

這一研究推動了對強關聯多體系統的認識，并為完善多體理論提供了實驗依據。此外，該研究發展的超冷原子量子調控技術為研究其他凝聚態物理現象，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，是量子模擬研究的重要進展。

在前期技術積累的基礎上，超冷原子量子模擬顯示出揭示包括高溫超導機制在內的復雜物理系統規律的效果，為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，表明配對發生在超流相變溫度以上。這種配對現象反過來導致贗能隙的出現。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