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物理学家首次直接观测到了费米子配对现象

科学探索万象经验2023-07-08

在这篇文章中,我将介绍一篇最新的物理论文,它报道了在一个吸引费米-哈伯德气体中,利用双层显微镜技术,直接观测到了非局域的费米子配对现象。这是一个非常重要的发现,因为它揭示了强关联费米系统中的超流性和赝能隙行为的微观机制。

费米子是一类遵循泡利不相容原理的粒子,它们不能占据同一个量子态。这意味着当费米子之间有相互作用时,它们会产生一些非常有趣和复杂的现象,比如超导和超流。超导是指在某个临界温度以下,某些材料的电阻突然变为零,可以无损地传输电流。超流是指在某个临界温度以下,某些流体(比如液氦)的粘滞系数突然变为零,可以无阻力地流动。

这些现象的共同原因是费米子之间形成了一种特殊的配对状态,叫做库珀对。库珀对是由两个相反自旋的费米子组成的,它们之间有一个微弱的吸引力。这个吸引力可以来自于不同的机制,比如声子介导或者磁性涨落。当温度足够低时,库珀对之间可以形成一个量子相干态,叫做BCS超流态。在这个态中,库珀对之间有一个很长的相干长度,也就是说它们可以跨越很远的距离而保持相位关系。这样一来,库珀对就可以像玻色子一样,在低温下形成一个玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)态。在BEC态中,所有的粒子都处于同一个量子态,表现出完全的量子相干性。

但是,并不是所有的费米系统都可以形成BCS超流态。有些系统中,费米子之间的吸引力很强,以至于它们可以形成一个很紧密的配对状态,叫做分子态。在这种情况下,配对长度很短,也就是说两个费米子之间的距离很小。这样一来,分子态就可以直接形成一个BEC态,而不需要经过BCS超流态。这种从分子BEC到BCS超流的连续过渡叫做BEC-BCS串联。

那么,在BEC和BCS之间有没有一种中间的状态呢?答案是肯定的。在BEC和BCS之间存在一个叫做赝能隙区域,在这个区域中,费米子已经形成了配对状态,但是还没有达到超流临界温度。也就是说,在赝能隙区域中,费米子配对是非局域的,它们的配对长度介于分子长度和相干长度之间。这种非局域的配对状态是一种强关联的费米液体,它的性质是非常复杂和有趣的。比如,它可能和电荷密度波或者自旋密度波等序参量竞争,导致一些奇异的相变和相图。

要直接观测非局域的费米子配对,我们需要一种可以在微观尺度上分辨费米子的自旋和密度的技术。幸运的是,我们有一种理想的实验平台,就是冷原子物理中的费米-哈伯德气体。费米-哈伯德气体是由两种不同自旋态的费米子组成的,它们被限制在一个光学晶格中。光学晶格是由激光干涉产生的周期性势场,它可以模拟出固体物理中的晶格结构。在光学晶格中,费米子之间有两种主要的相互作用:一种是同一格点上不同自旋态的费米子之间的吸引或排斥力,叫做哈伯德U;另一种是不同格点上费米子之间的跃迁,叫做跃迁能t。通过调节这两种相互作用,我们可以实现从弱耦合到强耦合的不同物理情况。