Un equipo de investigación ha observado y caracterizado cuantitativamente por primera vez el pseudoespacio de emparejamiento de muchos cuerpos en los gases unitarios de Fermi. Este logro, perseguido por la comunidad atómica ultrafría durante casi dos décadas, resuelve debates de larga data sobre la existencia de una pseudobrecha de emparejamiento en estos gases. También apoya el emparejamiento como un posible origen del pseudogap en superconductores de alta temperatura, dentro del marco de la teoría de la superconductividad de pares preformados.
Publicado en Naturaleza El 7 de febrero, el estudio, dirigido por los profesores Pan Jianwei, Yao Xingcan y Chen Yu'ao de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China, coincide con el próximo Año del Dragón. Curiosamente, la física detrás de este logro puede ilustrarse vívidamente con el icónico mito chino de "La carpa saltando sobre la puerta del dragón", que simboliza un gran éxito en la cultura china.
La existencia de una brecha energética es un fenómeno característico de la superconductividad. En los superconductores convencionales, la brecha de energía existe por debajo de la temperatura de transición superconductora (Tc ). En los superconductores de cuprato de alta temperatura, la brecha de energía aún se puede observar incluso por encima de Tc , un fenómeno conocido como pseudogap.
Comprender el origen y la naturaleza del pseudoespacio es crucial para comprender el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura, particularmente en lo que respecta a cómo se forman los pares de Cooper y establecen una coherencia de fase de largo alcance.
Hay dos hipótesis principales sobre el origen del pseudogap:Es el resultado de fuertes fluctuaciones de pares, que se manifiestan como pares de electrones preformados por encima de Tc y servir como precursor de la condensación de pares coherentes; y surge de varios órdenes cuánticos en superconductores de alta temperatura, como el orden antiferromagnético, la fase de franja y la onda de densidad de pares. Sin embargo, la complejidad de los materiales superconductores de alta temperatura deja estas preguntas en gran medida sin respuesta.
Los gases unitarios de Fermi proporcionan una plataforma de simulación cuántica ideal para investigar la existencia y las características de un pseudoespacio de emparejamiento. Esto puede atribuirse a su controlabilidad y pureza sin precedentes y, lo más importante, a la presencia de conocidas interacciones atractivas de corto alcance. Además, la ausencia de una estructura reticular en los gases de Fermi a granel elimina la influencia de órdenes cuánticos en competencia.
En este contexto, experimentos anteriores han medido la función espectral de una sola partícula promediada por trampa de gases Fermi que interactúan fuertemente. Sin embargo, estos experimentos no han proporcionado evidencia convincente de una pseudobrecha, principalmente debido a la falta de homogeneidad de la trampa y a problemas serios que surgen de las interacciones del estado final en la espectroscopia de rf comúnmente utilizada.
Después de años de trabajo dedicado, el equipo de investigación de la USTC ha establecido una plataforma de simulación cuántica utilizando átomos de litio y disprosio ultrafríos, y ha logrado una preparación de última generación de gases Fermi homogéneos (Ciencia ). Además, este equipo desarrolló técnicas novedosas para estabilizar los campos magnéticos necesarios.
En un campo magnético de aproximadamente 700 G, las fluctuaciones a corto plazo alcanzadas son inferiores a 25 μG, lo que da como resultado una estabilidad relativa del campo magnético récord. Este campo magnético ultraestable permitió al equipo de investigación utilizar pulsos de microondas para excitar átomos a estados de alta energía que no interactúan con los estados iniciales, realizando así la espectroscopia de fotoemisión con resolución de momento.
Con estos dos avances técnicos cruciales, el equipo de investigación midió sistemáticamente la función espectral de una sola partícula de los gases unitarios de Fermi a diferentes temperaturas y observó la existencia del pseudoespacio de emparejamiento, lo que respalda el papel del emparejamiento preformado como precursor de la superfluidez. P>
Además, el equipo de investigación determinó la brecha de emparejamiento, la vida útil de los pares y la tasa de dispersión de una sola partícula a partir de la función espectral medida, que son cantidades esenciales para caracterizar el comportamiento de sistemas cuánticos que interactúan fuertemente.
Estos hallazgos no sólo avanzan en el estudio de sistemas fuertemente correlacionados, sino que también proporcionan conocimientos e información valiosos para establecer una teoría de muchos cuerpos adecuada.
Las técnicas desarrolladas en este trabajo sientan las bases para futuras exploraciones y estudios de otras importantes fases cuánticas de baja temperatura, como la superfluidez de banda única, las fases de franja y la superfluidez de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov.
Más información: Jian-Wei Pan, Observación y cuantificación del pseudogap en gases unitarios de Fermi, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
