中国科学家首次观测到多体配对赝能隙

  新华社合肥2月8日电(记者徐海涛、陈诺)为什么会出现高温超导现象?这是物理学研究的重大课题。近期,中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人基于强相互作用的均匀费米气体,首次观测到由多体配对产生的赝能隙,朝着理解高温超导机理迈出重要一步。2月8日,国际学术期刊《自然》发表了这项研究成果。

  1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现,当温度下降到零下277摄氏度左右时,汞金属的电阻会降为零,这就是超导现象。如果能研制出室温下电阻为零的“超级导体”,将能显著改善人类的生产生活。

  一百多年来,国际科学界不断推进对超导机理的研究。1957年提出的BCS理论,成功在微观层面解释了超导现象的“为什么”,提出理论的三位科学家因此获得诺贝尔奖。

  “漫画家华君武先生曾画过一幅画,形象解释了低温下为何会发生超导现象。”中科大教授姚星灿说,如果把电子比喻成只有一只翅膀的蜜蜂,在常温下它们无法克服阻力飞起来,但到了超导临界温度,它们就会双双“结对”拥有了两只翅膀,成群结队地朝一个方向飞去,不受阻力地形成电流,这就是低温超导现象。

  碳60材料中电子在常温和低温超导状态下的不同表现。(制图:夏园园)

  但到了1986年,有科学家发现了一种新材料,在零下238摄氏度左右时就能产生超导效应,这种高温超导现象让BCS理论也难以解释。科学界提出假说,这种材料内部的电子在超导温度之上也会“结对”,只是会“乱飞”,电子流动仍然受阻。

  BCS理论认为,这种“结对有序飞行”会产生能隙。而电子预配对假说则认为,“结对但乱飞”可以产生赝能隙。研究赝能隙的起源和性质,成为搞明白高温超导机理的关键问题之一。

  经过4年多艰苦攻关,近期潘建伟团队研究赝能隙获重要进展。他们建立超冷锂—镝原子量子模拟平台,通过世界先进的均匀费米气体制备和大磁场稳定技术,成功实现超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上,系统测量不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数,首次成功观测到赝能隙存在,为电子预配对假说提供了支持。

  单粒子谱示意图。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子,曲面间隙为赝能隙。(中国科学技术大学供图)

  《自然》杂志多位审稿人认为,“这项工作解决了一个长期存在的重要物理问题,是量子模拟研究的里程碑式进展。”

  科研人员介绍,人类已经利用超导技术开发出核磁共振、磁悬浮列车等产品,未来充分理解了高温超导机理,有望开发出更有价值的应用。

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(来源:光明网)

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