Pan Jianwei, Yao Xingcan, Chen Yuao e outros da Universidade de Ciência e Tecnologia da China observaram pela primeira vez o pseudogap gerado pelo emparelhamento de muitos corpos com base no gás Fermi uniforme e de forte interação. Este estudo estabelece pela primeira vez a existência de um pseudogap de emparelhamento, fornece suporte para a hipótese de pré-emparelhamento de elétrons no mecanismo supercondutor de alta temperatura, dá um passo importante para a compreensão do mecanismo supercondutor de alta temperatura e é um exemplo de uso de simulação quântica para resolver problemas físicos importantes. Em 8 de fevereiro, este resultado foi publicado na conceituada revista acadêmica internacional Nature sob o título "Observação e quantificação de pseudo-gap no gás Fermi unitário".
Figura 1: As duas carpas com contas de jade na cabeça simbolizam um par de férmions com giros opostos; o portão do dragão representa a transição de fase superfluida e a lacuna de pseudoenergia. A carpa saltou sobre o pórtico, indicando que o emparelhamento ocorre acima da temperatura de transição de fase superfluida. Este fenômeno de emparelhamento, por sua vez, leva ao surgimento de lacunas de pseudoenergia. /Desenho: Chen Lei
A geração de lacuna de energia é o fenômeno icônico da supercondutividade. Nos supercondutores convencionais, a lacuna de energia existe abaixo da temperatura de transição de fase supercondutora. Com a descoberta dos supercondutores cuprato de alta temperatura, lacunas de energia ainda podem ser observadas mesmo acima da temperatura de transição de fase supercondutora. Este fenômeno é chamado de pseudogap. A origem e as propriedades do pseudogap podem fornecer pistas importantes para responder ao mecanismo da supercondutividade em alta temperatura. Os círculos acadêmicos geralmente acreditam que existem dois mecanismos principais de pseudogap possíveis: um é derivado do pré-emparelhamento de múltiplos corpos de elétrons acima da temperatura de transição de fase supercondutora; o outro é derivado de várias fases ordenadas quânticas encontradas em supercondutores de alta temperatura, como ordem antiferromagnética, ordem de faixa e ondas de densidade de emparelhamento. No entanto, como o sistema real de materiais supercondutores de alta temperatura é muito complexo e várias fontes possíveis de mecanismos competem entre si, não ficou claro qual mecanismo está em funcionamento.
O gás Fermi ultrafrio no limite de interação forte (unitário) fornece uma plataforma de simulação quântica ideal para o estudo do mecanismo de pseudogaps devido à sua pureza e controlabilidade. Por um lado, a forte interação atrativa entre os átomos de Fermi cria condições favoráveis para o emparelhamento de muitos corpos; por outro lado, o sistema pode evitar a competição entre múltiplas fases ordenadas quânticas. Portanto, se um pseudogap pode ser observado neste sistema se tornará uma verificação decisiva do mecanismo de emparelhamento de muitos corpos. No entanto, a concretização deste objectivo científico enfrenta dois grandes desafios técnicos, que são também as razões pelas quais trabalhos anteriores não alcançaram avanços: primeiro, é necessário preparar gás Fermi unitário de alta qualidade e densidade uniforme; segundo, é necessário desenvolver tecnologia de medição semelhante à espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo em sistemas atômicos ultrafrios.
Após anos de trabalho árduo, a equipe de pesquisa estabeleceu uma plataforma de simulação quântica atômica ultracolada de lítio-disprósio e alcançou a preparação líder mundial de gás Fermi uniforme. A equipe de pesquisa também desenvolveu tecnologia de estabilização para grandes campos magnéticos. Sob um campo magnético de cerca de 700G, sua flutuação de curto prazo é melhor que 25μG, e a estabilidade relativa do campo magnético é próxima de 10-8, o que é mais do que uma ordem de magnitude superior aos melhores resultados internacionais anteriores. Sob este campo magnético ultraestável, a equipe de pesquisa conseguiu implementar com sucesso a tecnologia de espectroscopia de micro-ondas que pode resolver o momento de átomos ultrafrios. Com base nisso, a equipe de pesquisa mediu sistematicamente a função espectral de partícula única do gás Fermi unitário em diferentes temperaturas e observou com sucesso a existência de um pseudogap, que forneceu suporte para a hipótese de pré-emparelhamento de elétrons (como mostrado na Figura 2).
Figura 2. Esquema do espectro de partícula única. As bolas conectadas e independentes representam pares de Cooper e partículas únicas, respectivamente, e a lacuna de superfície é a lacuna de pseudoenergia. /Desenho: Chen Lei
Este trabalho de pesquisa não apenas avança no estudo de sistemas multicorpos fortemente correlacionados, mas também fornece uma base experimental importante para melhorar a teoria multicorpos. Além disso, a tecnologia de controle quântico de átomos ultrafrios desenvolvida neste trabalho estabeleceu uma base técnica para a próxima etapa do estudo de outros fenômenos importantes da física da matéria condensada, como superfluidez de banda única, fase de listra, superfluidez FFLO, etc. Os revisores da revista Nature concordaram unanimemente que "este trabalho resolve um importante problema físico de longa data e é um marco na pesquisa de simulação quântica."
Equipes de pesquisa relevantes da Universidade de Ciência e Tecnologia da China realizaram trabalhos frutíferos em simulações quânticas baseadas em átomos ultrafrios nos últimos anos e publicaram 10 artigos de alta qualidade na Nature and Science. Com base no acúmulo de tecnologias anteriores, a simulação quântica de átomos ultrafrios começou a mostrar eficácia significativa na revelação das leis de sistemas físicos complexos, incluindo mecanismos supercondutores de alta temperatura, abrindo caminho para a construção de um simulador quântico dedicado capaz de resolver problemas práticos em um futuro próximo.
Hu Hui da Universidade de Tecnologia de Swinburne e Chen Qijin da Universidade de Ciência e Tecnologia da China são colaboradores teóricos neste trabalho. Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério da Ciência e Tecnologia, Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, Academia Chinesa de Ciências, Província de Anhui, Município de Xangai e New Cornerstone Science Foundation.
Link do artigo: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
(Escola de Física, Centro Nacional de Pesquisa de Ciências Físicas em Microescala de Hefei, Instituto de Informação Quântica e Inovação em Tecnologia Quântica, Academia Chinesa de Ciências, Departamento de Pesquisa)