Pan Jianwei, Yao Diese Studie belegt zum ersten Mal die Existenz einer Paarungspseudolücke, liefert Unterstützung für die Elektronen-Vorpaarungshypothese im Hochtemperatur-Supraleitungsmechanismus, stellt einen wichtigen Schritt zum Verständnis des Hochtemperatur-Supraleitungsmechanismus dar und ist ein Beispiel für die Verwendung von Quantensimulation zur Lösung wichtiger physikalischer Probleme. Am 8. Februar wurde dieses Ergebnis in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Observation and quantification of pseudo-gap in unitary Fermi gas“ veröffentlicht.


Abbildung 1: Die beiden Karpfen mit Jadeperlen auf dem Kopf symbolisieren ein Paar Fermionen mit entgegengesetzten Spins; Das Drachentor repräsentiert einen superflüssigen Phasenübergang und eine Pseudoenergielücke. Der Karpfen sprang über die Gantry, was darauf hindeutet, dass die Paarung oberhalb der supraflüssigen Phasenübergangstemperatur stattfindet. Dieses Paarungsphänomen führt wiederum zur Entstehung von Pseudoenergielücken. /Zeichnung: Chen Lei

Die Entstehung einer Energielücke ist das ikonische Phänomen der Supraleitung. Bei herkömmlichen Supraleitern besteht die Energielücke unterhalb der supraleitenden Phasenübergangstemperatur. Mit der Entdeckung von Cuprat-Hochtemperatursupraleitern können auch oberhalb der supraleitenden Phasenübergangstemperatur noch Energielücken beobachtet werden. Dieses Phänomen wird Pseudolücke genannt. Der Ursprung und die Eigenschaften der Pseudolücke können wichtige Hinweise zur Antwort auf den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung liefern. Akademische Kreise gehen im Allgemeinen davon aus, dass es hauptsächlich zwei mögliche Pseudolückenmechanismen gibt: Der eine leitet sich von der Vorpaarung von Elektronen mit mehreren Körpern oberhalb der supraleitenden Phasenübergangstemperatur ab; Die andere leitet sich von verschiedenen quantengeordneten Phasen ab, die in Hochtemperatursupraleitern vorkommen, wie etwa antiferromagnetische Ordnung, Streifenordnung und Paarungsdichtewellen. Da das tatsächliche System hochtemperatursupraleitender Materialien jedoch sehr komplex ist und verschiedene mögliche Mechanismen miteinander konkurrieren, ist nicht klar, welcher Mechanismus am Werk ist.

Das ultrakalte Fermi-Gas im Grenzfall der starken Wechselwirkung (Einheitsgrenze) bietet aufgrund seiner Reinheit und Kontrollierbarkeit eine ideale Quantensimulationsplattform für die Untersuchung des Mechanismus von Pseudolücken. Einerseits schafft die starke anziehende Wechselwirkung zwischen Fermi-Atomen günstige Bedingungen für die Vielteilchenpaarung; Andererseits kann das System den Wettbewerb zwischen mehreren quantengeordneten Phasen vermeiden. Daher wird die Frage, ob in diesem System eine Pseudolücke beobachtet werden kann, eine entscheidende Bestätigung des Mechanismus der Vielteilchenpaarung sein. Die Verwirklichung dieses wissenschaftlichen Ziels steht jedoch vor zwei großen technischen Herausforderungen, die auch die Gründe dafür sind, dass bisherige Arbeiten keinen Durchbruch erzielt haben: Erstens ist es notwendig, hochwertiges einheitliches Fermi-Gas mit einheitlicher Dichte herzustellen; Zweitens ist es notwendig, Messtechnik ähnlich der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie in ultrakalten Atomsystemen zu entwickeln.

Nach Jahren harter Arbeit richtete das Forschungsteam eine ultrakalte atomare Quantensimulationsplattform für Lithium-Dysprosium ein und erreichte die weltweit führende Herstellung von einheitlichem Fermi-Gas. Das Forschungsteam hat außerdem eine Stabilisierungstechnologie für große Magnetfelder entwickelt. Unter einem Magnetfeld von etwa 700 G ist seine kurzfristige Schwankung besser als 25 μG, und die relative Magnetfeldstabilität liegt nahe bei 10-8, was mehr als eine Größenordnung höher ist als die bisherigen internationalen Bestwerte. Unter diesem ultrastabilen Magnetfeld konnte das Forschungsteam erfolgreich Mikrowellenspektroskopietechnologie implementieren, die den Impuls ultrakalter Atome auflösen kann. Auf dieser Grundlage maß das Forschungsteam systematisch die Einzelpartikel-Spektralfunktion von einheitlichem Fermi-Gas bei verschiedenen Temperaturen und beobachtete erfolgreich die Existenz einer Pseudolücke, die die Elektronen-Vorpaarungshypothese stützte (wie in Abbildung 2 dargestellt).


Abbildung 2. Schematische Darstellung des Einzelpartikelspektrums. Die verbundenen und unabhängigen Kugeln stellen Cooper-Paare bzw. einzelne Teilchen dar, und die Oberflächenlücke ist die Pseudoenergielücke. /Zeichnung: Chen Lei

Diese Forschungsarbeit treibt nicht nur die Untersuchung stark korrelierter Mehrkörpersysteme voran, sondern liefert auch wichtige experimentelle Grundlagen zur Verbesserung der Mehrkörpertheorie. Darüber hinaus legte die in dieser Arbeit entwickelte Quantenkontrolltechnologie für ultrakalte Atome eine technische Grundlage für den nächsten Schritt der Untersuchung anderer wichtiger Phänomene der Physik der kondensierten Materie, wie Einzelband-Superfluidität, Streifenphase, FFLO-Superfluidität usw. Die Rezensenten des Magazins Nature waren sich einig, dass „diese Arbeit ein wichtiges, seit langem bestehendes physikalisches Problem löst und einen Meilenstein in der Quantensimulationsforschung darstellt.“

Relevante Forschungsteams an der Universität für Wissenschaft und Technologie von China haben in den letzten Jahren fruchtbare Arbeit an Quantensimulationen auf der Grundlage ultrakalter Atome durchgeführt und zehn hochwertige Artikel in Nature and Science veröffentlicht. Basierend auf der Anhäufung früherer Technologien hat die Quantensimulation ultrakalter Atome begonnen, eine erhebliche Wirksamkeit bei der Aufdeckung der Gesetze komplexer physikalischer Systeme, einschließlich Hochtemperatur-Supraleitungsmechanismen, zu zeigen und den Weg für die Konstruktion eines speziellen Quantensimulators zu ebnen, der in naher Zukunft praktische Probleme lösen kann.

Hu Hui von der Swinburne University of Technology und Chen Qijin von der University of Science and Technology of China sind theoretische Mitarbeiter dieser Arbeit. Diese Forschung wurde vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, der National Natural Science Foundation of China, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Provinz Anhui, der Stadt Shanghai und der New Cornerstone Science Foundation unterstützt.

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

(Fakultät für Physik, Hefei National Research Center for Microscale Physical Sciences, Institut für Quanteninformation und Quantentechnologieinnovation, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Forschungsabteilung)