铜酸盐高温超导性的微观起源仍然是未知的。人们普遍认为，通过更好地了解铜酸盐的正常非超导态赝隙相，可以取得实质性的进展。特别是，一个核心问题是赝隙是否可能源于强配对波动。在单一费米气体中，伪差(如果存在的话)必然是由多体配对产生的，它提供了理想的量子模拟器来解决这个问题。
2024年2月7日，中国科学技术大学潘建伟、姚星灿及陈宇翱共同通讯在Nature在线发表题为“Observation and quantification of the pseudogap in unitary Fermi gases”的研究论文，该研究报告了通过动量分辨微波光谱精确测量费米子谱函数，在没有末态相互作用的虚假影响的情况下，在锂-6原子的均匀统一费米气体中观察到对波动驱动的赝隙。
通过光谱分析，定量地确定了对间隙、逆对寿命和单粒子散射率的温度依赖性。该研究发现在超流体转变温度以上存在较大的赝隙。逆偶寿命表现为热激活指数行为，揭示了微观虚偶断裂和复合机制。得到的与温度无关的大单粒子散射率与普朗克极限所设定的散射率相当。总之，该研究的发现定量地描述了强相互作用费米气体中的赝隙，并支持了预形成对作为超流动性前兆的作用。
赝隙，表现为正常状态单粒子能谱中谱权的消耗，直观地从强对波动中产生，作为标准Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论之外的相干对凝聚的前兆。然而，在铜超导体中，这种简单场景的确认受到可能的竞争量子顺序的阻碍，例如d-密度波，对密度波和条纹相，特别是在低掺杂区域。具有发散S波散射长度的统一费米气体，由于其前所未有的可控制性，纯度，特别是已知的短程吸引相互作用，为观察长期寻找的对波动驱动的赝间隙提供了理想的平台和量子模拟器。为此，开发了射频光谱学来探测费米子的配对；特别是，在动量分辨率下，测量了阱平均单粒子谱函数。
图中头顶玉珠的两条鲤鱼，象征着一对自旋相反的费米子；龙门代表了超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门，表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来又导致赝能隙的出现。/制图：陈磊
然而，实验分辨率不足以分辨出两个预期的准粒子分支。相反，只观察到非常宽的光谱响应，色散在波数k大于费米波数kF时表现出反向弯曲行为。这种反向弯曲行为归因于类BCS的准粒子色散，它提供了赝隙的原始指示。然而，关于这种解释一直存在争论，因为k > kF的反向弯曲可能发生在任何短程相互作用的费米系统中，并且观测到的光谱也被认为可以用费米-液体描述来解释。
单粒子谱示意。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。/制图：陈磊
该研究在圆柱形盒阱微波光谱中制备了一个由6Li原子组成的均匀的单一费米气体，以探测费米子谱函数A(k， ω)。一方面，盒子陷阱消除了以往实验中无法提取均匀谱函数的陷阱均匀性。另一方面，微波光谱学消除了在广泛采用的射频光谱学中与末态相互作用相关的复杂性，例如光谱移位和拓宽，特别是对于6Li原子。在这里，处于高超精细能级的最终原子基本上不与多体系统中的初始原子相互作用。虽然微波跃迁对磁场变化很敏感，但我们能够实现超高的磁场稳定性，从而实现这种独特的高能量分辨率微波跃迁。
实验方案
该研究报告了通过动量分辨微波光谱精确测量费米子谱函数，在没有末态相互作用的虚假影响的情况下，在锂-6原子的均匀统一费米气体中观察到对波动驱动的赝隙。通过光谱分析，定量地确定了对间隙、逆对寿命和单粒子散射率的温度依赖性。该研究发现在超流体转变温度以上存在较大的赝隙。逆偶寿命表现为热激活指数行为，揭示了微观虚偶断裂和复合机制。得到的与温度无关的大单粒子散射率与普朗克极限所设定的散射率相当。总之，该研究的发现定量地描述了强相互作用费米气体中的赝隙，并支持了预形成对作为超流动性前兆的作用。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
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