銅酸鹽高溫超導性的微觀起源仍然是未知的。人們普遍認為，透過更好地瞭解銅酸鹽的正常非超導態贗隙相，可以取得實質性的進展。特別是，一個核心問題是贗隙是否可能源於強配對波動。在單一費米氣體中，偽差(如果存在的話)必然是由多體配對產生的，它提供了理想的量子模擬器來解決這個問題。
2024年2月7日，中國科學技術大學潘建偉、姚星燦及陳宇翱共同通訊在Nature線上發表題為“Observation and quantification of the pseudogap in unitary Fermi gases”的研究論文，該研究報告了透過動量分辨微波光譜精確測量費米子譜函式，在沒有末態相互作用的虛假影響的情況下，在鋰-6原子的均勻統一費米氣體中觀察到對波動驅動的贗隙。
透過光譜分析，定量地確定了對間隙、逆對壽命和單粒子散射率的溫度依賴性。該研究發現在超流體轉變溫度以上存在較大的贗隙。逆偶壽命表現為熱啟用指數行為，揭示了微觀虛偶斷裂和複合機制。得到的與溫度無關的大單粒子散射率與普朗克極限所設定的散射率相當。總之，該研究的發現定量地描述了強相互作用費米氣體中的贗隙，並支援了預形成對作為超流動性前兆的作用。
贗隙，表現為正常狀態單粒子能譜中譜權的消耗，直觀地從強對波動中產生，作為標準Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理論之外的相干對凝聚的前兆。然而，在銅超導體中，這種簡單場景的確認受到可能的競爭量子順序的阻礙，例如d-密度波，對密度波和條紋相，特別是在低摻雜區域。具有發散S波散射長度的統一費米氣體，由於其前所未有的可控制性，純度，特別是已知的短程吸引相互作用，為觀察長期尋找的對波動驅動的贗間隙提供了理想的平臺和量子模擬器。為此，開發了射頻光譜學來探測費米子的配對；特別是，在動量解析度下，測量了阱平均單粒子譜函式。
圖中頭頂玉珠的兩條鯉魚，象徵著一對自旋相反的費米子；龍門代表了超流相變和贗能隙。鯉魚躍過龍門，表明配對發生在超流相變溫度以上。這種配對現象反過來又導致贗能隙的出現。/製圖：陳磊
然而，實驗解析度不足以分辨出兩個預期的準粒子分支。相反，只觀察到非常寬的光譜響應，色散在波數k大於費米波數kF時表現出反向彎曲行為。這種反向彎曲行為歸因於類BCS的準粒子色散，它提供了贗隙的原始指示。然而，關於這種解釋一直存在爭論，因為k > kF的反向彎曲可能發生在任何短程相互作用的費米系統中，並且觀測到的光譜也被認為可以用費米-液體描述來解釋。
單粒子譜示意。連線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。/製圖：陳磊
該研究在圓柱形盒阱微波光譜中製備了一個由6Li原子組成的均勻的單一費米氣體，以探測費米子譜函式A(k， ω)。一方面，盒子陷阱消除了以往實驗中無法提取均勻譜函式的陷阱均勻性。另一方面，微波光譜學消除了在廣泛採用的射頻光譜學中與末態相互作用相關的複雜性，例如光譜移位和拓寬，特別是對於6Li原子。在這裡，處於高超精細能級的最終原子基本上不與多體系統中的初始原子相互作用。雖然微波躍遷對磁場變化很敏感，但我們能夠實現超高的磁場穩定性，從而實現這種獨特的高能量解析度微波躍遷。
實驗方案
該研究報告了透過動量分辨微波光譜精確測量費米子譜函式，在沒有末態相互作用的虛假影響的情況下，在鋰-6原子的均勻統一費米氣體中觀察到對波動驅動的贗隙。透過光譜分析，定量地確定了對間隙、逆對壽命和單粒子散射率的溫度依賴性。該研究發現在超流體轉變溫度以上存在較大的贗隙。逆偶壽命表現為熱啟用指數行為，揭示了微觀虛偶斷裂和複合機制。得到的與溫度無關的大單粒子散射率與普朗克極限所設定的散射率相當。總之，該研究的發現定量地描述了強相互作用費米氣體中的贗隙，並支援了預形成對作為超流動性前兆的作用。
參考訊息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
