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向理解高温超导机理迈出重要一步，中国科学家首次观测到
微信公众号“中国科学技术大学”2月8日消息，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，首次观测到了由多体配对产生的赝能隙。这项研究首次确立了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持，朝向理解高温超导机理迈出了重要一步，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月8日，该成果以“幺正费米气体中赝能隙的观测和量化”为题发表在国际权威学术期刊Nature上。
图1：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。
能隙的产生是超导的标志性现象。在常规超导体中，能隙存在于超导相变温度以下。随着铜氧化物高温超导体的发现，即使在超导相变温度以上，能隙仍然能够被观测到，这种现象被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质可以为解答高温超导的机理问题提供关键线索。学术界普遍认为主要存在两种可能的赝能隙机制：一是来源于超导相变温度以上的电子多体预配对；二是来源于在高温超导体中发现的多种量子有序相，例如反铁磁序、条纹序和配对密度波等。但由于真实的高温超导材料体系非常复杂，各种可能的机制来源相互竞争，一直无法明确究竟是何种机制在起作用。
强相互作用（幺正）极限下的超冷费米气体以其纯净性和可控性为赝能隙的机理研究提供了一个理想的量子模拟平台。一方面，费米原子之间的强吸引相互作用为多体配对创造了有利条件；另一方面，该体系可以避免多种量子有序相之间的竞争。因此，能否在该体系中观测到赝能隙，将成为对多体配对机制的决定性验证。然而，这一科学目标的实现面临着两项重大技术挑战，也是以往的工作一直未能取得突破的原因：首先，需要制备高品质、密度均匀的幺正费米气体；其次，要在超冷原子体系中开发类似角分辨光电子能谱的测量技术。
经过多年的艰苦攻关，研究团队建立了超冷锂-镝原子量子模拟平台，实现了世界领先的均匀费米气体的制备。研究团队还发展了大磁场的稳定技术，在约700 G的磁场下，其短期波动优于25 μG，相对磁场稳定度接近10-8，比以往国际上的最优结果提升了一个数量级以上。在该超稳磁场下，研究团队得以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，研究团队系统地测量了不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数，并成功观测到了赝能隙的存在，为电子预配对假说提供了支持（如图2所示）。
图2.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。
该研究工作不仅推进了强关联多体系统的研究，也为完善多体理论提供了重要的实验依据。此外，该工作中发展的超冷原子量子调控技术为下一步研究其它重要的凝聚态物理现象，如单带超流、条纹相、FFLO超流等奠定了技术基础。Nature杂志的审稿人一致认为，“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进展。”
中国科大相关研究团队近年来在基于超冷原子的量子模拟方面开展了卓有成效的工作，已先后在Nature和Science发表了10篇高质量论文。在前期技术积累的基础上，超冷原子量子模拟已经开始显现出揭示包括高温超导机制在内的复杂物理系统规律的显著效用，为在近期构建具备解决实际问题能力的专用量子模拟机铺平了道路。
斯威本科技大学胡辉和中国科学技术大学陈启瑾是该工作的理论合作者。本项研究获得了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市和新基石科学基金会等的支持。
- 责任编辑: 林铃锦
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全部评论 66条
最热 最早 最新- 有没有觉得现在的可控核聚变研究就像是古代没有化学知识的炼金术士的水平阶段?
现在就是在一团乱麻里摸索经验公式。
只有未来突破了一些重大理论基础，比如说元素周期表这种级别的，才有可能开启飞速的进步。 - 不渴而饮老天爷制定了宇宙万物的规则，也没留个说明书啥的就撒手不管自己玩去了。这些规则只有被人类接近及发现，却从未被改变，这也反向证明老天爷真走了，再没回来过哈😂说不准在人类无法观测的层面上改变了也未可知
- 老天爷制定了宇宙万物的规则，也没留个说明书啥的就撒手不管自己玩去了。这些规则只有被人类接近及发现，却从未被改变，这也反向证明老天爷真走了，再没回来过哈😂
- 全部楼层guan_15768698412026意思你懂了？？当然
- 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
赝能隙是高温超导所特有的现象，如果搞清楚了产生原理，就相当于搞清楚了高温超导的原理。赝能隙的原理，目前有2个猜测，但没有合适的研究条件。强相互作用极限下的超冷费米气体，是研究赝能隙原理的平台。而中科大制造出了这种平台，为下一步研究赝能隙产生原理奠定了基础。
还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。谢谢 - 潘教授厉害了，这么多领域都有成果
- 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
赝能隙是高温超导所特有的现象，如果搞清楚了产生原理，就相当于搞清楚了高温超导的原理。赝能隙的原理，目前有2个猜测，但没有合适的研究条件。强相互作用极限下的超冷费米气体，是研究赝能隙原理的平台。而中科大制造出了这种平台，为下一步研究赝能隙产生原理奠定了基础。
还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。为知识点赞。 - 物质由原子组成，电子由“N个电子围绕原子核”组成。电子轨道由内而外依次排列。最外围的电子，如果接收到外来能量，就会跳出轨道，成为自由电子。但这种自由电子不稳定，很快会放出能量，回到轨道上。
当你按下电源开关，电荷就开始在电线中传输，电荷就是能量，所以实际上就是能量传递的过程。当能量传到第一个原子最外层的电子，这个电子吸收能量，跳出轨道，变成自由电子，然后它不稳定，很快放出能量，回到轨道；这能量被它最近的第二个原子最外围的电子吸收。第二个原子的最外围电子又变成自由电子，但它也稳定不下来，很快放出能量，回到轨道，又把能量传给了离他最近的第三个原子最外围的电子。
就象你把一百个弹珠在槽里紧密无缝隙的排成一排，你敲击第一个，瞬间你的力被传递到了第一百个弹珠那里。但所有的弹珠都在原地不同。力（电能）的传递是接近光速的，这就是力场或电场速度。但是所有的弹珠（原子）都没有动。这就是电流传递。
电子的最外层轨道，就叫“价带”，可以理解为电子在这里等待能量介入，如果没有能量介入，他就是绝缘的。
吸收能量后跳出轨道变成自由电子后，自由电子的位置就叫“导带”，可以理解为“电子只有在这里才能导电，只有在这里才算自由电子”，这时候就是导体。
“价带”和“导带”之间，是有距离的。这个距离就叫“能隙”。不同的物质，“能隙”有宽有窄。绝缘体的“能隙”，就非常宽。半导体比较窄。金属原子的“价带”和“导带”之间，有许多重叠的部分，天生就有不等数量的自由电子，所以是导体。
金属在超低温下为什么会超导，科学家已经有了明确的解释，知道了产生原理。但是后来科学家发现了一系列高温超导体。这些高温超导体与低温超导体发生的原理并不一样。现在科学家还无法解释高温超导体产生的原理。因此把这种现象暂时称之为“赝能隙”。目前提出了2种原理猜测，但因为条件限制，无法通过实验确定哪一种正确，或者都不正确。
而中科大制造出的“强相互作用极限下的超冷费米气体”，就是可以研究赝能隙原理的平台。因而具有突破性意义。因此Nature杂志的审稿人，用上了里程碑这个词来形容。 - 坚实的基础研究和良好的科研环境，是出现重大飞跃的基石。
加油中国！ - 只不过验证一个理想模型。解决高温超导的物理机制，还得靠高温超导的测量。
- 这种基础物理理论的东西其实挺重要的，如果真能建立起数据模型，就会像元素周期表一样能直接推算出没发现的元素，那么极限的高温超导物质几乎呼之欲出了。就算自然界没有也能人工制备。
- 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
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还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。科普大佬 赞 - 又是发外刊 ......
- 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
赝能隙是高温超导所特有的现象，如果搞清楚了产生原理，就相当于搞清楚了高温超导的原理。赝能隙的原理，目前有2个猜测，但没有合适的研究条件。强相互作用极限下的超冷费米气体，是研究赝能隙原理的平台。而中科大制造出了这种平台，为下一步研究赝能隙产生原理奠定了基础。
还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。这些文字对我来说就像文言文，甲骨文，完全不懂 - 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
赝能隙是高温超导所特有的现象，如果搞清楚了产生原理，就相当于搞清楚了高温超导的原理。赝能隙的原理，目前有2个猜测，但没有合适的研究条件。强相互作用极限下的超冷费米气体，是研究赝能隙原理的平台。而中科大制造出了这种平台，为下一步研究赝能隙产生原理奠定了基础。
还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。好好，欢迎欢迎。 - 离开舒适区此文章的白话版：高温超导的产生原理目前人类还不清楚，所以只能通过大量的试错型实验来寻找，如果清楚原理，就可以有目的按照产生原理来寻找，效率提高N倍。
赝能隙是高温超导所特有的现象，如果搞清楚了产生原理，就相当于搞清楚了高温超导的原理。赝能隙的原理，目前有2个猜测，但没有合适的研究条件。强相互作用极限下的超冷费米气体，是研究赝能隙原理的平台。而中科大制造出了这种平台，为下一步研究赝能隙产生原理奠定了基础。
还有想知道“赝能隙”是啥意思的吗？有的话，点个赞，如果想知道的人多，我就再白话一下。看到苹果落地的人多，成为牛顿的少。理论才是硬道理。知其然不知其所以然。 - 高温超导里的“高温”是一个相对概念，是把超导转变温度和对应物理系统的费米温度相比得到的。所以多高算高取决于这个系统的费米温度。比如重费米系统的费米温度很低，对应的转变温度绝对数字也只有几K,但仍然被视为高温超导。
- 全部楼层蚊子的大腿真是无论到哪里都会有这样的提那种西方政治意味，浓重的带有偏见的奖项。
中国人搞科研是为自己，为全人类的发展在努力，无论西方人怎么看待，中国人都会努力走这条路，如果西方人认可那是最好，难道它们不认可，中国人就不继续研发下去了么？还有，西方人的认可真有那么重要的么？不刻意追求诺奖，但并不意味着诺奖不重要。虽然不乏冤假错案，但诺奖的自然科学奖项总体而言还是有公信力的，不要从一个极端跳到另一个极端。 - 全部楼层七月此评论已被屏蔽第一，中国的“量子通讯”已经在全国开展了很多应用了啊，比如银行、电力、政务、金融等领域，已经广泛开展了应用了。央行的跨境结算系统，就采用量子保密措施啊！
第二，量子计算方面，中国实现了1000比特的量子计算啊。
不过，你要知道，量子通信和量子计算这两个主要的应用方面，未来一般都不是针对个人的。不能你自己感受不到量子应用，就说是骗局。 - 海龙要真有突破，就是又一个诺奖。真是无论到哪里都会有这样的提那种西方政治意味，浓重的带有偏见的奖项。
中国人搞科研是为自己，为全人类的发展在努力，无论西方人怎么看待，中国人都会努力走这条路，如果西方人认可那是最好，难道它们不认可，中国人就不继续研发下去了么？还有，西方人的认可真有那么重要的么？
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