Membuka Misteri Superkonduktivitas Kuantum Dengan Fermion Ultradingin

Para peneliti secara meyakinkan telah mengamati celah semu banyak pasangan benda dalam gas Fermi kesatuan, sehingga meningkatkan pemahaman kita tentang mekanisme superkonduktivitas.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Jianwei Pan, Xingcan Yao, dan Yu'ao Chen dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok (USTC) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, untuk pertama kalinya mengamati dan mengkarakterisasi pasangan multibenda secara kuantitatif. pseudogap dalam gas Fermi kesatuan.

Pencapaian ini, yang dicapai oleh komunitas atom ultradingin selama hampir dua dekade, menyelesaikan perdebatan lama mengenai keberadaan celah semu berpasangan dalam gas-gas ini. Hal ini juga mendukung pemasangan sebagai kemungkinan asal mula pseudogaps pada superkonduktor suhu tinggi, dalam kerangka teori superkonduktivitas berpasangan yang telah ditetapkan sebelumnya.

Diterbitkan di Alami pada tanggal 7 Februari penelitian ini bertepatan dengan Tahun Naga yang akan datang. Menariknya, fisika di balik pencapaian ini dapat diilustrasikan dengan jelas melalui mitos ikonik Tiongkok “Ikan Mas Melompati Gerbang Naga,” yang melambangkan kesuksesan besar dalam budaya Tiongkok.

Mengungkap Misteri Superkonduktivitas

Adanya kesenjangan energi merupakan ciri khas fenomena superkonduktivitas. Dalam superkonduktor konvensional, kesenjangan energi berada di bawah suhu transisi superkonduktor (T_C). Hebatnya, pada superkonduktor suhu tinggi cuprate, kesenjangan energi masih dapat diamati bahkan di atas T_Csebuah fenomena yang dikenal sebagai pseudogap.

Memahami asal usul dan sifat pseudogaps sangat penting untuk memahami mekanisme superkonduktivitas suhu tinggi, khususnya mengenai bagaimana pasangan Cooper terbentuk dan membangun koherensi fase jangka panjang.

Ada dua hipotesis utama mengenai asal usul celah semu: Ini dihasilkan dari fluktuasi pasangan yang kuat, yang bermanifestasi sebagai pasangan elektron yang terbentuk sebelumnya di atas T._C dan berfungsi sebagai pendahulu kondensasi pasangan koheren; dan itu muncul dari berbagai tatanan kuantum dalam superkonduktor suhu tinggi, seperti tatanan antiferromagnetik, fase garis, dan gelombang kerapatan pasangan. Namun kompleksitas bahan superkonduktor suhu tinggi membuat sebagian besar pertanyaan ini tidak terjawab.

Bola merah dan biru masing-masing melambangkan atom fermion yang berputar ke atas dan ke bawah. Permukaan melengkung dengan grid mewakili lanskap momentum energi untuk kuasi-partikel. Fermion yang berpasangan menempati permukaan bawah sedangkan fermion yang tidak berpasangan menempati permukaan atas. Kesenjangan antara permukaan menunjukkan adanya celah semu, yang menunjukkan bahwa jumlah energi minimal diperlukan untuk memutus pasangan fermion. Pasangan fermion kabur di celah menunjukkan terisinya sebagian celah semu. Kredit: Lei Chen

Simulasi Kuantum Memberikan Cahaya Baru

Gas Fermi kesatuan menyediakan platform simulasi kuantum yang ideal untuk menyelidiki keberadaan dan karakteristik celah semu yang digabungkan. Hal ini mungkin disebabkan oleh kemampuan pengendaliannya yang belum pernah terjadi sebelumnya, kemurniannya, dan, yang paling penting, adanya interaksi menarik dalam jangka pendek.

Selain itu, tidak adanya struktur kisi pada sebagian besar gas Fermi menghilangkan pengaruh persaingan tatanan kuantum. Dalam konteks ini, percobaan sebelumnya telah mengukur rata-rata perangkap fungsi spektral partikel tunggal dari gas Fermi yang berinteraksi kuat.

Namun, eksperimen ini belum memberikan bukti yang meyakinkan mengenai keberadaan celah semu, terutama karena ketidakhomogenan yang terperangkap dan masalah serius yang timbul dari interaksi keadaan akhir dalam spektroskopi RF yang umum digunakan.

Setelah bertahun-tahun bekerja dengan penuh dedikasi, tim peneliti USTC telah membangun platform simulasi kuantum menggunakan atom litium dan disprosium ultradingin, dan telah mencapai persiapan gas Fermi homogen yang canggih (Sains).

Selain itu, tim mengembangkan teknik baru untuk menstabilkan medan magnet yang dibutuhkan. Pada medan magnet sekitar 700 G, fluktuasi jangka pendek yang dicapai berada di bawah 25 μG, menghasilkan stabilitas medan magnet relatif tertinggi. Medan magnet ultra-stabil ini memungkinkan tim peneliti menggunakan pulsa gelombang mikro untuk merangsang atom ke tingkat energi tinggi yang tidak berinteraksi dengan keadaan awal, sehingga mewujudkan spektroskopi fotoemisi dengan resolusi momentum.

Dengan dua terobosan teknis penting ini, tim peneliti secara sistematis mengukur fungsi spektral partikel tunggal gas Fermi kesatuan pada suhu berbeda dan mengamati keberadaan celah semu berpasangan, sehingga mendukung peran pasangan yang telah terbentuk sebelumnya sebagai prekursor superfluiditas.

Selain itu, tim peneliti menentukan kesenjangan pasangan, masa pakai pasangan, dan laju hamburan partikel tunggal dari fungsi spektral yang diukur, yang merupakan kuantitas penting untuk mengkarakterisasi perilaku sistem kuantum yang berinteraksi kuat. Temuan ini tidak hanya memajukan studi tentang sistem yang berkorelasi kuat, namun juga memberikan wawasan dan informasi berharga untuk membangun teori banyak benda yang tepat.

Teknik yang dikembangkan dalam karya ini meletakkan dasar untuk eksplorasi dan studi masa depan tentang fase kuantum suhu rendah penting lainnya, seperti superfluiditas pita tunggal, fase garis, dan superfluiditas Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov.

Referensi: 7 Februari 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-023-06964-y