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首次觀測到!祝賀我國科學家

中國科學家首次觀測到多體配對贗能隙

發(fā)布時間:2024-02-09 作者:徐海濤 陳諾 來源:新華社

為什么會出現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象?這是物理學研究的重大課題。近期,中國科學技術(shù)大學潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強相互作用的均勻費米氣體,首次觀測到由多體配對產(chǎn)生的贗能隙,朝著理解高溫超導(dǎo)機理邁出重要一步。2月8日,國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這項研究成果。

1911年,荷蘭物理學家卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn),當溫度下降到足夠低時,汞金屬的電阻會降為零,這就是超導(dǎo)現(xiàn)象。如果能研制出室溫下電阻為零的“超級導(dǎo)體”,將能顯著改善人類的生產(chǎn)生活。

一百多年來,國際科學界不斷推進對超導(dǎo)機理的研究。1957年提出的BCS理論,成功在微觀層面解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的“為什么”,提出理論的三位科學家因此獲得諾貝爾獎。

“漫畫家華君武先生曾畫過一幅畫,形象解釋了低溫下為何會發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象?!敝锌拼蠼淌谝π菭N說,如果把電子比喻成只有一只翅膀的蜜蜂,在常溫下它們無法克服阻力飛起來,但到了超導(dǎo)臨界溫度,它們就會雙雙“結(jié)對”擁有了兩只翅膀,成群結(jié)隊地朝一個方向飛去,不受阻力地形成電流,這就是低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

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碳60材料中電子在常溫和低溫超導(dǎo)狀態(tài)下的不同表現(xiàn)。(制圖:夏園園)


但到了1986年,有科學家發(fā)現(xiàn)了一種新材料,在零下238攝氏度左右時就能產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng),這種高溫超導(dǎo)現(xiàn)象讓BCS理論也難以解釋??茖W界提出假說,這種材料內(nèi)部的電子在超導(dǎo)溫度之上也會“結(jié)對”,只是會“亂飛”,電子流動仍然受阻。

BCS理論認為,這種“結(jié)對有序飛行”會產(chǎn)生能隙。而電子預(yù)配對假說則認為,“結(jié)對但亂飛”可以產(chǎn)生贗能隙。研究贗能隙的起源和性質(zhì),成為搞明白高溫超導(dǎo)機理的關(guān)鍵問題之一。

經(jīng)過4年多艱苦攻關(guān),近期潘建偉團隊研究贗能隙獲重要進展。他們建立超冷鋰—鏑原子量子模擬平臺,通過世界先進的均勻費米氣體制備和大磁場穩(wěn)定技術(shù),成功實現(xiàn)超冷原子動量可分辨的微波譜學技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)測量不同溫度下的幺正費米氣體的單粒子譜函數(shù),首次成功觀測到贗能隙存在,為電子預(yù)配對假說提供了支持。

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單粒子譜示意圖。連接和獨立的小球分別代表庫珀對和單粒子,曲面間隙為贗能隙。(中國科學技術(shù)大學供圖)

《自然》雜志多位審稿人認為,“這項工作解決了一個長期存在的重要物理問題,是量子模擬研究的里程碑式進展。”

科研人員介紹,人類已經(jīng)利用超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)出核磁共振、磁懸浮列車等產(chǎn)品,未來充分理解了高溫超導(dǎo)機理,有望開發(fā)出更有價值的應(yīng)用。(記者 徐海濤 陳諾

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