Un gruppo di ricerca ha, per la prima volta, osservato e caratterizzato quantitativamente lo pseudogap di accoppiamento a molti corpi nei gas unitari di Fermi. Questo risultato, perseguito dalla comunità atomica ultrafredda per quasi due decenni, risolve i dibattiti di lunga data sull’esistenza di uno pseudogap di accoppiamento in questi gas. Supporta inoltre l'accoppiamento come possibile origine dello pseudogap nei superconduttori ad alta temperatura, nel quadro della teoria della superconduttività delle coppie preformate.
Pubblicato in Natura il 7 febbraio, lo studio, condotto dai professori Pan Jianwei, Yao Xingcan e Chen Yu'ao dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze, coincide con il prossimo Anno del Drago. È interessante notare che la fisica alla base di questo risultato può essere vividamente illustrata dall'iconico mito cinese della "Carpa che salta oltre la Porta del Drago", che simboleggia il grande successo nella cultura cinese.
L'esistenza di un gap energetico è un fenomeno caratteristico della superconduttività. Nei superconduttori convenzionali, il gap energetico esiste al di sotto della temperatura di transizione superconduttiva (Tc ). Nei superconduttori cuprati ad alta temperatura, il gap energetico può ancora essere osservato anche al di sopra del Tc , un fenomeno noto come pseudogap.
Comprendere l'origine e la natura dello pseudogap è fondamentale per comprendere il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura, in particolare per quanto riguarda il modo in cui le coppie di Cooper si formano e stabiliscono la coerenza di fase a lungo raggio.
Ci sono due ipotesi principali sull'origine dello pseudogap:risulta da forti fluttuazioni di coppia, che si manifestano come coppie di elettroni preformate sopra Tc e servire come precursore della condensazione di coppie coerenti; e deriva da vari ordini quantistici nei superconduttori ad alta temperatura, come l'ordine antiferromagnetico, la fase di striscia e l'onda di densità di coppia. Tuttavia, la complessità dei materiali superconduttori ad alta temperatura lascia queste domande in gran parte senza risposta.
I gas unitari di Fermi forniscono una piattaforma di simulazione quantistica ideale per studiare l'esistenza e le caratteristiche di uno pseudogap di accoppiamento. Ciò può essere attribuito alla loro controllabilità, purezza e, soprattutto, alla presenza di interazioni attraenti conosciute a corto raggio. Inoltre, l'assenza di una struttura reticolare nei gas di Fermi sfusi elimina l'influenza degli ordini quantistici concorrenti.
In questo contesto, esperimenti precedenti hanno misurato la funzione spettrale di una singola particella mediata dalla trappola dei gas di Fermi fortemente interagenti. Tuttavia, questi esperimenti non hanno fornito prove convincenti di uno pseudogap, principalmente a causa della disomogeneità della trappola e dei seri problemi derivanti dalle interazioni dello stato finale nella spettroscopia RF comunemente usata.
Dopo anni di lavoro dedicato, il gruppo di ricerca dell'USTC ha creato una piattaforma di simulazione quantistica utilizzando atomi di litio ultrafreddi e disprosio e ha ottenuto una preparazione all'avanguardia di gas di Fermi omogenei (Scienza ). Inoltre, questo team ha sviluppato nuove tecniche per stabilizzare i campi magnetici richiesti.
Con un campo magnetico di circa 700 G, le fluttuazioni a breve termine raggiunte sono inferiori a 25 μG, il che si traduce in una stabilità relativa del campo magnetico record. Questo campo magnetico ultrastabile ha consentito al gruppo di ricerca di utilizzare impulsi a microonde per eccitare gli atomi in stati energetici elevati che non interagiscono con gli stati iniziali, realizzando così la spettroscopia di fotoemissione risolta in momento.
Con queste due scoperte tecniche cruciali, il gruppo di ricerca ha misurato sistematicamente la funzione spettrale della singola particella dei gas unitari di Fermi a diverse temperature e ha osservato l'esistenza dello pseudogap di accoppiamento, fornendo supporto al ruolo dell'accoppiamento preformato come precursore della superfluidità.
Inoltre, il gruppo di ricerca ha determinato il gap di accoppiamento, la durata della coppia e il tasso di diffusione della singola particella dalla funzione spettrale misurata, che sono quantità essenziali per caratterizzare il comportamento di sistemi quantistici fortemente interagenti.
Questi risultati non solo fanno avanzare lo studio dei sistemi fortemente correlati, ma forniscono anche preziosi spunti e informazioni per stabilire una corretta teoria a molti corpi.
Le tecniche sviluppate in questo lavoro gettano le basi per l'esplorazione e lo studio futuri di altre importanti fasi quantistiche a bassa temperatura, come la superfluidità a banda singola, le fasi a strisce e la superfluidità Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov.
Ulteriori informazioni: Jian-Wei Pan, Osservazione e quantificazione dello pseudogap nei gas unitari di Fermi, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
