Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Kwantumsimulatie met ultrakoude fermionen onthult paringspseudogap

Rode en blauwe bollen symboliseren fermionische atomen met respectievelijk opwaartse en neerwaartse spins. De gebogen oppervlakken met roosters vertegenwoordigen de momentum-energielandschappen voor quasideeltjes. Gepaarde fermionen bewonen het onderoppervlak, terwijl ongepaarde fermionen het bovenoppervlak bezetten. De opening tussen de oppervlakken duidt de pseudo-opening aan, wat aangeeft dat er een minimale hoeveelheid energie nodig is om de fermionparen te breken. Wazige fermionparen in de opening duiden op een gedeeltelijke vulling van de pseudo-opening. Credit:Chen Lei

Een onderzoeksteam heeft voor het eerst de pseudo-kloof in het paren van meerdere deeltjes in unitaire Fermi-gassen waargenomen en kwantitatief gekarakteriseerd. Deze prestatie, die al bijna twintig jaar door de ultrakoude atomaire gemeenschap wordt nagestreefd, maakt een einde aan de al lang bestaande debatten over het bestaan ​​van een pseudo-kloof in deze gassen. Het ondersteunt ook paren als mogelijke oorsprong van de pseudo-kloof in supergeleiders bij hoge temperaturen, binnen het raamwerk van de supergeleidingstheorie met voorgevormde paren.



Gepubliceerd in Natuur op 7 februari valt het onderzoek, geleid door professoren Pan Jianwei, Yao Xingcan en Chen Yu'ao van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen, samen met het komende Jaar van de Draak. Interessant genoeg kan de natuurkunde achter deze prestatie levendig worden geïllustreerd door de iconische Chinese mythe van 'Carp Jumping Over the Dragon Gate', die groot succes in de Chinese cultuur symboliseert.

Het bestaan ​​van een energiekloof is een kenmerkend fenomeen van supergeleiding. In conventionele supergeleiders bestaat de energiekloof onder de supergeleidende overgangstemperatuur (Tc ). In cuprate hoge-temperatuur-supergeleiders kan de energiekloof zelfs boven Tc nog steeds worden waargenomen , een fenomeen dat bekend staat als de pseudogap.

Het begrijpen van de oorsprong en de aard van de pseudogap is cruciaal voor het begrijpen van het mechanisme van supergeleiding bij hoge temperaturen, vooral met betrekking tot de manier waarop Cooper-paren fasecoherentie over lange afstanden vormen en tot stand brengen.

Er zijn twee hoofdhypothesen voor de oorsprong van de pseudogap:deze is het gevolg van sterke paarfluctuaties, die zich manifesteren als voorgevormde elektronenparen boven Tc en dienen als een voorloper van coherente paarcondensatie; en het komt voort uit verschillende kwantumorden in supergeleiders bij hoge temperaturen, zoals de antiferromagnetische orde, de streepfase en de paardichtheidsgolf. Toch laat de complexiteit van supergeleidende materialen bij hoge temperaturen deze vragen grotendeels onbeantwoord.

In deze artistieke voorstelling symboliseren twee karpers, elk met een jadekraal in hun bek, fermionen met tegengestelde spins. De Drakenpoort vertegenwoordigt zowel de superfluïde overgang als de pseudo-opening. De afbeelding van de karpers die over de Drakenpoort springen suggereert de paring boven de superfluïde fase-overgangstemperatuur. Dit koppelingsfenomeen leidt op zijn beurt tot het verschijnen van de pseudogap. Credit:Chen Lei

Unitaire Fermi-gassen bieden een ideaal kwantumsimulatieplatform voor het onderzoeken van het bestaan ​​en de kenmerken van een pairing pseudogap. Dit kan worden toegeschreven aan hun ongekende beheersbaarheid, zuiverheid en, belangrijker nog, de aanwezigheid van bekende aantrekkelijke interacties op korte afstand. Bovendien elimineert de afwezigheid van een roosterstructuur in bulk-Fermi-gassen de invloed van concurrerende kwantumorden.

In deze context hebben eerdere experimenten de trap-gemiddelde spectrale functie van één deeltje van sterk op elkaar inwerkende Fermi-gassen gemeten. Deze experimenten hebben echter geen overtuigend bewijs geleverd van een pseudo-gap, voornamelijk vanwege de inhomogeniteit van de val en ernstige problemen die voortkomen uit interacties in de eindtoestand in de veelgebruikte RF-spectroscopie.

Na jaren van toegewijd werk heeft het USTC-onderzoeksteam een ​​kwantumsimulatieplatform opgezet met behulp van ultrakoude lithium- en dysprosiumatomen, en een ultramoderne bereiding van homogene Fermi-gassen bereikt (Wetenschap ). Bovendien ontwikkelde dit team nieuwe technieken om de vereiste magnetische velden te stabiliseren.

Bij een magnetisch veld van ongeveer 700 G liggen de bereikte kortetermijnfluctuaties onder de 25 μG, wat resulteert in een recordhoge relatieve magnetische veldstabiliteit. Dit ultrastabiele magnetische veld stelde het onderzoeksteam in staat microgolfpulsen te gebruiken om atomen naar hooggelegen energietoestanden te brengen die geen interactie hebben met de begintoestanden, waardoor momentum-opgeloste foto-emissiespectroscopie werd gerealiseerd.

Met deze twee cruciale technische doorbraken heeft het onderzoeksteam systematisch de spectrale functie van unitaire Fermi-gassen bij verschillende temperaturen gemeten en het bestaan ​​van de paring-pseudogap waargenomen, wat steun verleende aan de rol van voorgevormde paring als voorloper van superfluïditeit. P>

Bovendien heeft het onderzoeksteam de pairing gap, de levensduur van het paar en de verstrooiingssnelheid van afzonderlijke deeltjes bepaald op basis van de gemeten spectrale functie, wat essentiële grootheden zijn voor het karakteriseren van het gedrag van sterk op elkaar inwerkende kwantumsystemen.

Deze bevindingen bevorderen niet alleen de studie van sterk gecorreleerde systemen, maar bieden ook waardevolle inzichten en informatie voor het opstellen van een goede veellichamentheorie.

De technieken die in dit werk zijn ontwikkeld, leggen de basis voor toekomstige verkenning en studie van andere belangrijke kwantumfasen bij lage temperaturen, zoals single-band superfluiditeit, streepfasen en Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-superfluïditeit.

Meer informatie: Jian-Wei Pan, Observatie en kwantificering van de pseudokloof in unitaire Fermi-gassen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Elementen van nucleïnezuren
  2. Herbivoren van schimmels en insecten beïnvloeden de diversiteit van kruiden, afhankelijk van de soortkenmerken van kruiden en de samenstelling van naburige bomen
  3. What Is Crossing Over in Genetics?
  4. Haaienbioloog werkt samen met ruimtevaartingenieur om het gedrag van oceanische wittips te ontdekken
  5. Stages of Mitosis (Cell Division)
  6. Samengestelde ogen een continu kenmerk van evolutie
  7. Het team uit Hong Kong plant zaden om oude granen te beschermen
  8. Meld-en-klauwzeer:de lacunes in de inspanningen van Zuid-Afrika om het onder controle te houden
  9. De persoonlijke beschermingsmiddelen die tijdens de COVID-19-pandemie worden gebruikt, raken verstrikt in wilde dieren

Wetenschap