中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到了由多体配对产生的赝能隙。这项研究首次确立了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持，朝向理解高温超导机理迈出了重要一步，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月8日，该成果以“幺正费米气体中赝能隙的观测和量化”为题发表在国际权威学术期刊Nature上。
图1：图中头顶玉珠的两条鲤鱼，象征着一对自旋相反的费米子；龙门代表了超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门，表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来又导致赝能隙的出现。/制图：陈磊
能隙的产生是超导的标志性现象。在常规超导体中，能隙存在于超导相变温度以下。随着铜氧化物高温超导体的发现，即使在超导相变温度以上，能隙仍然能够被观测到，这种现象被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质可以为解答高温超导的机理问题提供关键线索。学术界普遍认为主要存在两种可能的赝能隙机制：一是来源于超导相变温度以上的电子多体预配对；二是来源于在高温超导体中发现的多种量子有序相，例如反铁磁序、条纹序和配对密度波等。但由于真实的高温超导材料体系非常复杂，各种可能的机制来源相互竞争，一直无法明确究竟是何种机制在起作用。
强相互作用（幺正）极限下的超冷费米气体以其纯净性和可控性为赝能隙的机理研究提供了一个理想的量子模拟平台。一方面，费米原子之间的强吸引相互作用为多体配对创造了有利条件；另一方面，该体系可以避免多种量子有序相之间的竞争。因此，能否在该体系中观测到赝能隙，将成为对多体配对机制的决定性验证。然而，这一科学目标的实现面临着两项重大技术挑战，也是以往的工作一直未能取得突破的原因：首先，需要制备高品质、密度均匀的幺正费米气体；其次，要在超冷原子体系中开发类似角分辨光电子能谱的测量技术。
经过多年的艰苦攻关，研究团队建立了超冷锂-镝原子量子模拟平台，实现了世界领先的均匀费米气体的制备。研究团队还发展了大磁场的稳定技术，在约700 G的磁场下，其短期波动优于25 μG，相对磁场稳定度接近10-8，比以往国际上的最优结果提升了一个数量级以上。在该超稳磁场下，研究团队得以成功实现超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上，研究团队系统地测量了不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数，并成功观测到了赝能隙的存在，为电子预配对假说提供了支持（如图2所示）。
图2.单粒子谱示意。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子，曲面间隙为赝能隙。/制图：陈磊
该研究工作不仅推进了强关联多体系统的研究，也为完善多体理论提供了重要的实验依据。此外，该工作中发展的超冷原子量子调控技术为下一步研究其它重要的凝聚态物理现象，如单带超流、条纹相、FFLO超流等奠定了技术基础。Nature杂志的审稿人一致认为，“这项工作解决了一个长期存在的重要物理问题，是量子模拟研究的里程碑进展。”
中国科大相关研究团队近年来在基于超冷原子的量子模拟方面开展了卓有成效的工作，已先后在Nature和Science发表了10篇高质量论文。在前期技术积累的基础上，超冷原子量子模拟已经开始显现出揭示包括高温超导机制在内的复杂物理系统规律的显著效用，为在近期构建具备解决实际问题能力的专用量子模拟机铺平了道路。
斯威本科技大学胡辉和中国科学技术大学陈启瑾是该工作的理论合作者。本项研究获得了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、上海市和新基石科学基金会等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y （物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）