從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，近日，該校潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強相互作用的均勻費米氣體，首次觀(guān)測到了由多體配對產(chǎn)生的贗能隙。該成果8日以“幺正費米氣體中贗能隙的觀(guān)測和量化”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

據介紹，這項研究首次確立了配對贗能隙的存在，為高溫超導機理中的電子預配對假說(shuō)提供了支持，朝向理解高溫超導機理邁出了重要一步，是利用量子模擬解決重要物理問(wèn)題的一個(gè)范例。

圖中頭頂玉珠的兩條鯉魚(yú)，象征著(zhù)一對自旋相反的費米子；龍門(mén)代表了超流相變和贗能隙。鯉魚(yú)躍過(guò)龍門(mén)，表明配對發(fā)生在超流相變溫度以上。這種配對現象反過(guò)來(lái)又導致贗能隙的出現。陳磊制圖

能隙的產(chǎn)生是超導的標志性現象。在常規超導體中，能隙存在于超導相變溫度以下。隨著(zhù)銅氧化物高溫超導體的發(fā)現，即使在超導相變溫度以上，能隙仍然能夠被觀(guān)測到，這種現象被稱(chēng)為贗能隙。贗能隙的起源和性質(zhì)可以為解答高溫超導的機理問(wèn)題提供關(guān)鍵線(xiàn)索。

學(xué)術(shù)界普遍認為主要存在兩種可能的贗能隙機制：一是來(lái)源于超導相變溫度以上的電子多體預配對；二是來(lái)源于在高溫超導體中發(fā)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。但由于真實(shí)的高溫超導材料體系非常復雜，各種可能的機制來(lái)源相互競爭，一直無(wú)法明確究竟是何種機制在起作用。

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。陳磊 制圖

強相互作用（幺正）極限下的超冷費米氣體以其純凈性和可控性為贗能隙的機理研究提供了一個(gè)理想的量子模擬平臺。一方面，費米原子之間的強吸引相互作用為多體配對創(chuàng )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。因此，能否在該體系中觀(guān)測到贗能隙，將成為對多體配對機制的決定性驗證。

　　然而，這一科學(xué)目標的實(shí)現面臨著(zhù)兩項重大技術(shù)挑戰，也是以往的工作一直未能取得突破的原因：首先，需要制備高品質(zhì)、密度均勻的幺正費米氣體；其次，要在超冷原子體系中開(kāi)發(fā)類(lèi)似角分辨光電子能譜的測量技術(shù)。

科研團隊。校方供圖

經(jīng)過(guò)多年的艱苦攻關(guān)，該研究團隊建立了超冷鋰-鏑原子量子模擬平臺，實(shí)現了世界領(lǐng)先的均勻費米氣體的制備。研究團隊還發(fā)展了大磁場(chǎng)的穩定技術(shù)，在約700G的磁場(chǎng)下，其短期波動(dòng)優(yōu)于25μG，相對磁場(chǎng)穩定度接近10-8，比以往國際上的最優(yōu)結果提升了一個(gè)數量級以上。在該超穩磁場(chǎng)下，研究團隊得以成功實(shí)現超冷原子動(dòng)量可分辨的微波譜學(xué)技術(shù)。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，并成功觀(guān)測到了贗能隙的存在，為電子預配對假說(shuō)提供了支持。

該研究工作不僅推進(jìn)了強關(guān)聯(lián)多體系統的研究，也為完善多體理論提供了重要的實(shí)驗依據。此外，該工作中發(fā)展的超冷原子量子調控技術(shù)為下一步研究其它重要的凝聚態(tài)物理現象，如單帶超流、條紋相、FFLO超流等奠定了技術(shù)基礎。Nature雜志的審稿人一致認為，“這項工作解決了一個(gè)長(cháng)期存在的重要物理問(wèn)題，是量子模擬研究的里程碑進(jìn)展。”

【  責任編輯 ：張曉欣 】