首次用超冷原子模拟高温超导的赝能隙现象

中国科学技术大学的潘建伟等教授领导的研究团队，利用超冷原子实现了量子模拟，观测并定量地描述了强相互作用费米气体中的赝能隙现象。这是一个非常重要的成果，因为它解决了超冷原子物理学界近二十年来一直争论不休的问题，也为理解高温超导的机制提供了新的线索。该研究已经发表在《自然》杂志上。

什么是赝能隙？

首先，我们要回顾一下什么是能隙。能隙是指一个系统中，能量最低的激发态和基态之间的能量差。例如，一个原子的电子云中，电子只能处于一些离散的能级上，如果要让电子从基态跃迁到激发态，就需要给它一个能量大于或等于能隙的光子。能隙的大小决定了一个系统的物理性质，比如它的导电性、磁性、光学性等。

在固体物理中，一个重要的概念是能带，它是指一个周期性势场中，电子的能量可以取的连续范围。能带之间有一些禁止的能量范围，称为带隙。如果一个固体的最高的被占据的能带（价带）和最低的未被占据的能带（导带）之间有一个很大的带隙，那么这个固体就是绝缘体，因为电子不能轻易地从价带跃迁到导带，导致电流无法流动。如果价带和导带之间没有带隙，或者带隙很小，那么这个固体就是金属，因为电子可以很容易地从价带跃迁到导带，导致电流可以流动。

在超导体中，一个奇妙的现象是，当温度低于一个临界温度时，电子会形成一种特殊的配对状态，称为库珀对。库珀对的形成会导致一个能隙出现在费米面附近，这个能隙的存在使得库珀对不受晶格散射的影响，从而实现了零电阻的超导现象。这个能隙的大小和超导临界温度有关，温度越低，能隙越大。

然而，在一些高温超导体中，人们发现了一个奇怪的现象，即在超导临界温度以上，仍然可以观测到一个能隙，但这个能隙不是由库珀对的形成导致的，而是由一些其他的机制导致的，这个能隙就被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质是高温超导的一个重要的未解之谜，有两种主要的假说：一种是赝能隙是由强的电子对涨落导致的，表现为超导临界温度以上的电子预成对现象，是超导相的前驱；另一种是赝能隙是由高温超导体中的各种量子序导致的，比如反铁磁序、条纹相、对密度波等。由于高温超导材料的复杂性，这些问题还没有得到明确的答案。

什么是费米气体？

为了理解这篇论文的内容，我们还需要了解一下什么是费米气体。费米气体是指一种由费米子组成的理想气体，费米子是指一种满足费米-狄拉克统计的粒子，比如电子、质子、中子等。费米子的一个重要特征是，它们遵循泡利不相容原理，即在一个多费米子系统中，不能有两个或以上的费米子处于同一个量子态。这意味着，当我们把费米子放入一个势阱中时，它们的能量不能都取最低值，而是要按照能量的升序依次填充，直到所有的费米子都被安置好。这样，最高的被占据的能级就是费米能级，而费米能级以下的所有能级都被占据，费米能级以上的所有能级都是空的。这就是费米-狄拉克分布的基本形式。

费米气体有很多重要的物理应用，比如金属中的自由电子气、白矮星中的简并电子气、中子星中的简并中子气等。在这些应用中，费米子之间的相互作用通常被忽略，因为它们相比于费米子的动能来说很小。然而，有一种特殊的情况，当费米子之间的相互作用变得很强时，会发生一些非常有趣的现象，这就是所谓的强相互作用费米气体，或者叫做单位费米气体。

单位费米气体是指一种由两种自旋态的费米子组成的气体，它们之间有一个短程的吸引相互作用，而且这个相互作用的强度刚好处于一个特殊的点，使得散射长度发散，而有效范围趋于零。这个特殊的点被称为共振点，它使得单位费米气体具有普适性，即它的物理性质不依赖于具体的相互作用细节，而只依赖于一些基本的参数，比如密度、温度、自旋极化等。

单位费米气体是一个非常理想的模型，它可以用来研究强关联的量子多体系统，比如高温超导体、中子星物质、夸克-胶子等离子体等。然而，要实现单位费米气体并不容易，因为在自然界中很难找到满足这些条件的费米子。

如何实现单位费米气体的量子模拟？

要实现单位费米气体的量子模拟，我们需要用一种可以调节相互作用强度的费米子系统来模拟。幸运的是，利用超冷原子的技术，我们可以用一些碱金属原子，比如锂、钾、铷等，来模拟单位费米气体。这些原子有两种自旋态，分别对应于两种不同的超精细结构能级，我们可以用它们来模拟两种自旋态的费米子。这些原子之间有一个短程的范德华力，它可以通过调节外加的磁场来改变其强度和符号，从而实现从弱相互作用到强相互作用的过渡。当磁场调节到一个特殊的值时，原子之间的散射长度会发散，而有效范围会趋于零，这就是共振点，也就是单位费米气体的条件。

为了制备单位费米气体，我们需要把一些碱金属原子冷却到纳开尔文的温度，然后用一个光学势阱来捕获它们。光学势阱是一种利用激光束形成的周期性势场，它可以用来操控和测量超冷原子的性质。我们可以用一些技巧来消除光学势阱的周期性，从而得到一个均匀的费米气体。这样，我们就可以用超冷原子来模拟单位费米气体了。

观测到了什么？

通过用微波谱学的方法测量单粒子谱函数，他们观测到了赝能隙的存在。他们发现，在超导相变温度以上，单粒子谱函数呈现出一个明显的双峰结构，这表明了存在一个能隙，而这个能隙不是由超导相的库珀对形成的，而是由多体配对形成的。这个多体配对是指超导相变温度以上的电子多体预配对，它是一种由强的电子对涨落导致的电子配对，但是没有形成长程的相干性。这个多体配对的赝能隙随着温度的升高而减小，直到消失。这个结果与电子预配对假说是一致的，也与一些高温超导材料中观测到的赝能隙现象是类似的。

他们还对赝能隙的大小进行了定量的测量，发现它与理论的预测是吻合的。他们还发现，赝能隙的大小与超导相变温度有一个线性的关系，这也与一些高温超导材料中的实验结果是一致的。

这项研究有什么意义？

这项研究是利用超冷原子实现了单位费米气体的量子模拟，并观测到了赝能隙的存在，这是一个重要的物理发现，也是一个重要的技术进展。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，向理解高温超导机理迈出了重要一步，也为探索其他强关联的量子多体系统提供了一个新的平台。这项研究也展示了利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例，为量子模拟的发展和应用开辟了新的领域。