用量子模擬支持高溫超導機理假說 陸研究首確立配對贋能隙存在

▲大陸科研團隊用量子模擬支持高溫超導機理假說登上《自然》期刊。（圖／翻攝科技日報）

記者魏有德／綜合報導

大陸科學家潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基於強相互作用的均勻費米氣體，首次觀測到由多體配對產生的贋能隙。該研究首次確立配對贋能隙的存在，為高溫超導機理中的電子預配對假說提供支撐，向理解高溫超導機理邁出重要一步，是利用量子模擬解決重要物理問題的一個範例。該成果於今（8）日發表在《自然》期刊上。

▲科研團隊用「鯉魚躍龍門」演示贋能隙的出現。（圖／翻攝科技日報）

《科技日報》報導，該研究工作不僅推進了強關聯多體系統的研究，也為完善多體理論提供了重要的實驗依據。此外，該工作中發展的超冷原子量子調控技術為下一步研究其他重要的凝聚態物理現象，如單帶超流、條紋相、FFLO超流等奠定了技術基礎。《自然》雜誌的審稿人一致認為，「這項工作解決了一個長期存在的重要物理問題，是量子模擬研究的里程碑進展。」

據了解，能隙的產生是超導的代表性現象。在一般超導體中，能隙存在於超導相變溫度以下。隨著銅氧化物高溫超導體的發現，即使在超導相變溫度以上，能隙仍然能夠被觀測到，這種現象被稱為贋能隙。

贋能隙的起源和性質可以為解答高溫超導的機理問題提供關鍵線索。學術界普遍認為主要存在兩種可能的贋能隙機制，一是來源於超導相變溫度以上的電子多體預配對；二是來源於在高溫超導體中發現的多種量子有序相，例如反鐵磁序、條紋序和配對密度波等。

但由於真實的高溫超導材料體系非常複雜，各種可能的機制來源相互競爭，一直無法明確究竟是何種機制在起作用。

▲連接和獨立的小球分別代表庫珀對和單粒子，曲面間隙為贋能隙。（圖／翻攝科技日報）

研究結果顯示，強相互作用（幺正）極限下的超冷費米氣體以其純淨性和可控性為贋能隙的機理研究提供了一個理想的量子模擬平台。其中，費米原子之間的強吸引相互作用為多體配對創造了有利條件，另一方面，該體系可以避免多種量子有序相之間的競爭。

研究團隊認為，能否在該體系中觀測到贋能隙，將成為對多體配對機制的決定性驗證。然而，這一科學目標的實現面臨著兩項重大技術挑戰，也是以往的工作一直未能取得突破的原因。首先，需要製備高品質、密度均勻的幺正費米氣體；其次，要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。

該研究團隊經過多年艱苦攻關，建立了超冷鋰-鏑原子量子模擬平台，實現世界領先的均勻費米氣體製備。研究團隊還發展出大磁場的穩定技術，在約700G（高斯）的磁場下，其短期波動優於25μG（微高斯），相對磁場穩定度接近10的負8次方，比以往國際上的最優結果提升了一個數量級以上。

在該超穩磁場下，研究團隊得以成功實現超冷原子動量可分辨的微波譜學技術。在此基礎上，研究團隊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，並成功觀測到了贋能隙的存在，為電子預配對假說提供支撐。