中國科學(xué)家首次觀測到多體配對贗能隙

新華社合肥2月8日電（記者徐海濤、陳諾）為什么會出現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象？這是物理學(xué)研究的重大課題。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強(qiáng)相互作用的均勻費(fèi)米氣體，首次觀測到由多體配對產(chǎn)生的贗能隙，朝著理解高溫超導(dǎo)機(jī)理邁出重要一步。2月8日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到零下277攝氏度左右時，汞金屬的電阻會降為零，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。如果能研制出室溫下電阻為零的“超級導(dǎo)體”，將能顯著改善人類的生產(chǎn)生活。

一百多年來，國際科學(xué)界不斷推進(jìn)對超導(dǎo)機(jī)理的研究。1957年提出的BCS理論，成功在微觀層面解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的“為什么”，提出理論的三位科學(xué)家因此獲得諾貝爾獎。

“漫畫家華君武先生曾畫過一幅畫，形象解釋了低溫下為何會發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。”中科大教授姚星燦說，如果把電子比喻成只有一只翅膀的蜜蜂，在常溫下它們無法克服阻力飛起來，但到了超導(dǎo)臨界溫度，它們就會雙雙“結(jié)對”擁有了兩只翅膀，成群結(jié)隊(duì)地朝一個方向飛去，不受阻力地形成電流，這就是低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

碳60材料中電子在常溫和低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的不同表現(xiàn)。（制圖：夏園園）

但到了1986年，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新材料，在零下238攝氏度左右時就能產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)，這種高溫超導(dǎo)現(xiàn)象讓BCS理論也難以解釋?？茖W(xué)界提出假說，這種材料內(nèi)部的電子在超導(dǎo)溫度之上也會“結(jié)對”，只是會“亂飛”，電子流動仍然受阻。

BCS理論認(rèn)為，這種“結(jié)對有序飛行”會產(chǎn)生能隙。而電子預(yù)配對假說則認(rèn)為，“結(jié)對但亂飛”可以產(chǎn)生贗能隙。研究贗能隙的起源和性質(zhì)，成為搞明白高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵問題之一。

經(jīng)過4年多艱苦攻關(guān)，近期潘建偉團(tuán)隊(duì)研究贗能隙獲重要進(jìn)展。他們建立超冷鋰—鏑原子量子模擬平臺，通過世界先進(jìn)的均勻費(fèi)米氣體制備和大磁場穩(wěn)定技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)超冷原子動量可分辨的微波譜學(xué)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)測量不同溫度下的幺正費(fèi)米氣體的單粒子譜函數(shù)，首次成功觀測到贗能隙存在，為電子預(yù)配對假說提供了支持。

單粒子譜示意圖。連接和獨(dú)立的小球分別代表庫珀對和單粒子，曲面間隙為贗能隙。（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

《自然》雜志多位審稿人認(rèn)為，“這項(xiàng)工作解決了一個長期存在的重要物理問題，是量子模擬研究的里程碑式進(jìn)展。”

科研人員介紹，人類已經(jīng)利用超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)出核磁共振、磁懸浮列車等產(chǎn)品，未來充分理解了高溫超導(dǎo)機(jī)理，有望開發(fā)出更有價值的應(yīng)用。