特別說(shuō)明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（米測(cè) 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
贗能隙表現(xiàn)為正常狀態(tài)單粒子能譜中光譜權(quán)重的耗盡，直觀上是由強(qiáng)烈的電子對(duì)波動(dòng)產(chǎn)生的，是超出標(biāo)準(zhǔn)巴丁-庫(kù)珀-施里弗（BCS）理論的相干電子對(duì)凝聚的前兆。幺正費(fèi)米氣體具有發(fā)散的s波散射長(zhǎng)度，由于其前所未有的可控性、純度，為觀察長(zhǎng)期尋找的對(duì)漲落驅(qū)動(dòng)的贗能隙提供了理想的平臺(tái)和量子模擬器。
然而，贗能隙的研究仍存在以下問(wèn)題：
1、銅酸鹽高溫超導(dǎo)性起源的研究受限于贗能隙的發(fā)展
銅酸鹽高溫超導(dǎo)性的微觀起源仍然未知，人們普遍認(rèn)為，通過(guò)更好地理解贗能隙相可以解析這一問(wèn)題，但受到d密度波、條紋相等競(jìng)爭(zhēng)量子序的阻礙。
2、現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)分辨率不足以分析贗能隙
人們發(fā)展了射頻光譜技術(shù)來(lái)探測(cè)費(fèi)米子的配對(duì)，特別地，在動(dòng)量分辨率下，測(cè)量了陷阱平均的單粒子譜函數(shù)。然而，實(shí)驗(yàn)分辨率不足以分辨兩個(gè)預(yù)期的準(zhǔn)粒子分支，只觀察到非常寬的光譜響應(yīng)。
3、贗能隙現(xiàn)象的解釋存在爭(zhēng)議
色散在波數(shù)k大于費(fèi)米波數(shù)kF時(shí)表現(xiàn)出背彎行為，這種背彎行為提供了贗能隙的原始跡象。然而，關(guān)于這種解釋一直存在爭(zhēng)論，因?yàn)樵趉>kF處的背彎可以發(fā)生在任何短程相互作用的費(fèi)米系統(tǒng)中。
有鑒于此，中科大潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人通過(guò)動(dòng)量分辨微波光譜精確測(cè)量費(fèi)米子譜函數(shù)，報(bào)告了在Li-6原子的均質(zhì)幺正費(fèi)米氣體中觀察到的電子對(duì)波動(dòng)性驅(qū)動(dòng)的贗能隙，并且沒(méi)有來(lái)自終態(tài)相互作用的雜散效應(yīng)。通過(guò)分析光譜定量確定配對(duì)間隙、逆配對(duì)壽命和單粒子散射率的溫度依賴性，發(fā)現(xiàn)在超流體轉(zhuǎn)變溫度之上存在一個(gè)大的贗能隙。逆對(duì)壽命表現(xiàn)出熱激活指數(shù)行為，揭示了微觀虛擬對(duì)斷裂和重組機(jī)制。所獲得的大的、與溫度無(wú)關(guān)的單粒子散射率與普朗克極限設(shè)定的散射率相當(dāng)。該研究結(jié)果定量地描述了強(qiáng)相互作用費(fèi)米氣體中的贗能隙，并支持了預(yù)配對(duì)作為超流的前驅(qū)體的作用。
技術(shù)方案：
1、闡明了實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)置
作者實(shí)現(xiàn)了在給定溫度下創(chuàng)建均勻單一費(fèi)米氣體，制備6個(gè)Li原子磁場(chǎng) 并設(shè)計(jì)了一個(gè)圓柱形盒式陷阱。
2、分析了費(fèi)米子譜函數(shù)
作者考慮了最低溫度(0.77Tc)和最高溫度(1.51Tc)兩種極限情況，實(shí)現(xiàn)了配對(duì)間隙Δ的明確、直接的可視化，提供了幺正費(fèi)米氣體中贗能隙的確鑿證據(jù)。
3、探究了費(fèi)米子自能和EDC
作者從EDC中提取費(fèi)米子自能Σ(k, ω)，展示了EDCs在所有T下作為k函數(shù)的演化，使用類似BCS公式的色散擬合和EDC擬合，保證了獲得的贗能隙尺寸的定量準(zhǔn)確性。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、首次觀測(cè)到由多體配對(duì)產(chǎn)生的贗能隙
作者基于強(qiáng)相互作用的均勻費(fèi)米氣體，首次觀測(cè)到了由多體配對(duì)產(chǎn)生的贗能隙，首次確立了配對(duì)贗能隙的存在，為高溫超導(dǎo)機(jī)理中的電子預(yù)配對(duì)假說(shuō)提供了支持。
2、開(kāi)發(fā)了新的動(dòng)量分辨微波光譜，具有高能量分辨率
作者開(kāi)發(fā)了一種新的動(dòng)量分辨微波光譜來(lái)探測(cè)費(fèi)米子譜函數(shù)，利用盒式陷阱消除了陷阱不均勻性，微波光譜消除了與最終態(tài)相互作用的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的超高穩(wěn)定性和具有高能量分辨率的微波躍遷。
技術(shù)細(xì)節(jié)
實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)置
基于作者前期工作，實(shí)現(xiàn)了在給定溫度下創(chuàng)建均勻單一費(fèi)米氣體。兩個(gè)主要區(qū)別：首先，在兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)|1?≡|F=1/2，mF=1/2?和|3?≡|F=3/2，mF=?3/2?等量制備6個(gè)Li原子磁場(chǎng) B0=689.68G（即幺正極限），其次，設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為84μm、高度為41μm的圓柱形盒式陷阱。在動(dòng)量分辨微波光譜中，使用強(qiáng)度為V，時(shí)間間隔-tp/2≤t≤+tp/2。通過(guò)開(kāi)發(fā)和結(jié)合多種磁場(chǎng)穩(wěn)定技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在短時(shí)間內(nèi)將磁場(chǎng)穩(wěn)定性顯著提高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖 實(shí)驗(yàn)方案
費(fèi)米子譜函數(shù)
創(chuàng)建具有大EF的均勻單一費(fèi)米氣體，并實(shí)現(xiàn)具有可忽略終態(tài)效應(yīng)的動(dòng)量分辨微波光譜，能夠突破之前無(wú)法訪問(wèn)的參數(shù)范圍并測(cè)量A(k, ω)。作者考慮了最低溫度(0.77Tc)和最高溫度(1.51Tc)兩種極限情況，觀察到兩個(gè)獨(dú)特的特征：更小的光譜寬度Ew和峰值位置Ep的決定因素是△和哈特里能量U。為了直接觀察多體配對(duì)間隙，分別給出了T=?0.77Tc和1.51Tc處的動(dòng)量分辨微波譜A(k, ω)k2。對(duì)于T=?0.77Tc，觀察到兩個(gè)分離良好的激發(fā)分支，費(fèi)米面附近的譜權(quán)重顯著耗盡，這提供了配對(duì)間隙Δ的明確、直接的可視化。接著，作者然后研究了A(k, ω)在Tc上的演化并確定T相關(guān)的配對(duì)間隙Δ(T)，對(duì)于T≥Tc的正常態(tài)，費(fèi)米面附近譜權(quán)的抑制得到了明確的揭示，提供了幺正費(fèi)米氣體中贗能隙的確鑿證據(jù)。
圖 0.77Tc和1.51Tc處的微波光譜
圖 超流體轉(zhuǎn)變過(guò)程中不同溫度下的動(dòng)量分辨微波光譜
費(fèi)米子自能和EDC
接下來(lái)，作者從EDC中提取費(fèi)米子自能Σ(k, ω)，它是表征單一費(fèi)米氣體（或任何相互作用系統(tǒng)）的多體相互作用效應(yīng)的關(guān)鍵量。作者展示了EDCs在所有T下作為k函數(shù)的演化，分析了k≈k*0.93kF處的歸一化EDC，譜權(quán)重的最大抑制發(fā)生在?ω≈μ處。隨著T的增加，EDC的溫度依賴性變得明顯。使用類似BCS公式的色散擬合和EDC擬合，在所有溫度下產(chǎn)生幾乎相同的Δ。這保證了獲得的贗能隙尺寸的定量準(zhǔn)確性，從而為多體理論提供了實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)。
圖 Δ、Г和EDC的溫度依賴性
總之，本工作通過(guò)動(dòng)量分辨微波光譜，在不存在終態(tài)效應(yīng)的情況下，為均勻幺正費(fèi)米氣體中存在源自強(qiáng)電子對(duì)波動(dòng)的贗能隙的存在提供了確鑿的證據(jù)。研究結(jié)果不僅證明多體配對(duì)贗能隙相是超流性的前兆，而且還提供了超流相和正相中幺正費(fèi)米氣體的微觀細(xì)節(jié)。此外，動(dòng)量分辨微波光譜學(xué)為探測(cè)強(qiáng)相互作用費(fèi)米子的許多難以捉摸的量子相提供了強(qiáng)大的工具。
參考文獻(xiàn)：
Li, X., Wang, S., Luo, X. et al. Observation and quantification of the pseudogap in unitary Fermi gases. Nature 626, 288–293 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
