Моделирование ультрахолодных фермионов выявило ложную связь

Исследовательская группа под руководством профессоров Пан Цзяньвэя, Яо Синганя и Чэнь Юао из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук наблюдала и количественно охарактеризовала взаимодействие многих объектов. Ложная щель в унитарных ферми-газах. Этот прорыв, к которому сообщество ультрахолодной атомной энергетики стремилось почти два десятилетия, разрешает давние споры о существовании ложной дыры в этих газах. Они также поддерживают связь как возможную причину ложной щели в высокотемпературных сверхпроводниках в рамках теории заранее сформированной парной сверхпроводимости.

Опубликовано в природа 7 февраля это исследование совпадает с наступающим годом Дракона. Интересно, что физику этого подвига можно наглядно проиллюстрировать знаменитой китайской легендой о «карпе, перепрыгивающем через Ворота Дракона», которая символизирует большой успех в китайской культуре.

Наличие энергетической щели является характерным явлением сверхпроводимости. В обычных сверхпроводниках энергетическая щель существует ниже температуры сверхпроводящего перехода (T_С). Поразительно, что в высокотемпературных сверхпроводниках купратов энергетическая щель все еще может наблюдаться даже выше T_С, явление, известное как ложный разрыв. Понимание происхождения и природы псевдощели имеет решающее значение для понимания механизма высокотемпературной сверхпроводимости, особенно в отношении того, как образуются куперовские пары и устанавливается дальнодействующая фазовая когерентность.

Существуют две основные гипотезы происхождения ложной щели: она возникает в результате сильных парных флуктуаций, проявляющихся в виде заранее сформированных электронных пар выше T_С Оно служит прелюдией к сгущению сплоченной пары; Он возникает из-за различных квантовых порядков в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как антимагнитный порядок, зонная фаза и даже волна плотности. Однако сложность высокотемпературных сверхпроводящих материалов оставляет эти вопросы практически без ответа.

Унитарные ферми-газы представляют собой идеальную платформу квантового моделирования для исследования существования и свойств связанной псевдощели. Это можно объяснить его беспрецедентной управляемостью, чистотой и, самое главное, известными привлекательными кратковременными взаимодействиями. Кроме того, отсутствие решеточной структуры в объемных ферми-газах исключает эффект конкурирующих квантовых порядков. В этом контексте предыдущие эксперименты измеряли усредненную по ловушке одночастичную спектральную функцию сильно взаимодействующих ферми-газов. Однако эти эксперименты не предоставили убедительных доказательств существования ложного разрыва, в первую очередь из-за неоднородности ловушек и серьезных проблем, возникающих из-за взаимодействий конечных состояний в обычно используемой радиочастотной спектроскопии.

После многих лет самоотверженной работы исследовательская группа USTC создала платформу квантового моделирования с использованием ультрахолодных атомов лития и диспрозия и достигла современной установки однородных ферми-газов (Науки). Кроме того, эта команда разработала новые методы стабилизации необходимых магнитных полей. При магнитном поле около 700 г достигнутые кратковременные колебания составляют менее 25 мкг, что приводит к рекордной относительной стабильности магнитного поля. Это сверхстабильное магнитное поле позволило исследовательской группе использовать микроволновые импульсы для перевода атомов в высокоэнергетические состояния, которые не взаимодействуют с элементарными состояниями, тем самым достигая импульсно-зависимой фотоэмиссионной спектроскопии.

С помощью этих двух важнейших технических прорывов исследовательская группа систематически измеряла одночастичную спектральную функцию унитарных ферми-газов при различных температурах и наблюдала наличие ложной щели связи, подтверждая роль заранее сформированной связи как предшественника сверхтекучести.

Кроме того, исследовательская группа определила щель связи, время жизни пары и скорость одночастичного рассеяния на основе измеренной спектральной функции, которые являются фундаментальными величинами для характеристики поведения сильно взаимодействующих квантовых систем. Эти результаты не только продвигают изучение сильно взаимосвязанных систем, но также предоставляют ценную информацию для создания подходящей теории многочастичной материи. Методы, разработанные в этой работе, закладывают основу для будущих исследований и исследований других важных низкотемпературных квантовых фаз, таких как однозонная сверхтекучесть, зонные фазы и сверхтекучесть Фолда-Феррела-Ларкина-Овчинникова.

Изображение воплощает в себе известную легенду китайской культуры о «карпе, перепрыгивающем через Ворота Дракона», символизирующую большой успех. В этом художественном изображении два карпа, каждый из которых держит во рту нефритовую бусину, символизируют фермионы с противоположным вращением. Врата Дракона представляют собой одновременно сверхтекучий переход и псевдовакуум. Изображение карпа, перепрыгивающего через Врата Дракона, указывает на связь, температура которой превышает температуру сверхтекучего фазового перехода. Это явление связи, в свою очередь, приводит к ложному разрыву. (Фото Чэнь Ли)

На изображении показана одночастичная спектральная функция, измеренная выше критической температуры (T_С) посредством художественного представления. Красные и синие шары представляют собой фермионные атомы со вращением вверх и вниз соответственно. Искривленные поверхности с сетками представляют собой импульсно-энергетические ландшафты квазичастиц. Парные фермионы занимают нижнюю поверхность, а неспаренные фермионы — верхнюю. Зазор между поверхностями указывает на ложный зазор, который указывает на то, что для разрыва фермионных пар требуется лишь небольшое количество энергии. Размытые фермионные пары в щели указывают на частичное заполнение ложной щели. (Фото Чэнь Ли)