Pan Jianwei, Yao Xingcan, Chen Yuao y otros de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China observaron por primera vez la pseudobrecha generada por el emparejamiento de muchos cuerpos basándose en el gas Fermi uniforme que interactúa fuertemente. Este estudio establece por primera vez la existencia de una pseudobrecha de emparejamiento, respalda la hipótesis del preemparejamiento de electrones en el mecanismo superconductor de alta temperatura, da un paso importante hacia la comprensión del mecanismo superconductor de alta temperatura y es un ejemplo del uso de la simulación cuántica para resolver problemas físicos importantes. El 8 de febrero, este resultado se publicó en la prestigiosa revista académica internacional Nature con el título "Observación y cuantificación del pseudo-gap en el gas unitario Fermi".
Figura 1: Las dos carpas con cuentas de jade en la cabeza simbolizan un par de fermiones con espines opuestos; la puerta del dragón representa la transición de fase superfluida y la brecha de pseudoenergía. La carpa saltó sobre el pórtico, lo que indica que el emparejamiento se produce por encima de la temperatura de transición de la fase superfluida. Este fenómeno de emparejamiento conduce a su vez a la aparición de pseudovacíos energéticos. /Dibujo: Chen Lei
La generación de brecha energética es el fenómeno icónico de la superconductividad. En los superconductores convencionales, la brecha de energía existe por debajo de la temperatura de transición de fase del superconductor. Con el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura de cuprato, todavía se pueden observar brechas de energía incluso por encima de la temperatura de transición de fase superconductora. Este fenómeno se llama pseudogap. El origen y las propiedades del pseudogap pueden proporcionar pistas clave para responder al mecanismo de la superconductividad a alta temperatura. Los círculos académicos generalmente creen que existen dos posibles mecanismos principales de pseudogap: uno se deriva del emparejamiento previo de múltiples cuerpos de electrones por encima de la temperatura de transición de fase superconductora; el otro se deriva de varias fases cuánticas ordenadas que se encuentran en los superconductores de alta temperatura, como el orden antiferromagnético, el orden de las franjas y el emparejamiento de ondas de densidad. Sin embargo, debido a que el sistema real de material superconductor de alta temperatura es muy complejo y varias posibles fuentes de mecanismos compiten entre sí, no ha quedado claro qué mecanismo está funcionando.
El gas ultrafrío de Fermi en el límite de interacción fuerte (unitario) proporciona una plataforma de simulación cuántica ideal para el estudio del mecanismo de pseudogaps debido a su pureza y controlabilidad. Por un lado, la fuerte interacción atractiva entre los átomos de Fermi crea condiciones favorables para el emparejamiento de muchos cuerpos; por otro lado, el sistema puede evitar la competencia entre múltiples fases ordenadas cuánticamente. Por lo tanto, si se puede observar una pseudobrecha en este sistema será una verificación decisiva del mecanismo de emparejamiento de muchos cuerpos. Sin embargo, la realización de este objetivo científico enfrenta dos desafíos técnicos importantes, que también son las razones por las que trabajos anteriores no han logrado avances: primero, es necesario preparar gas Fermi unitario de alta calidad y densidad uniforme; en segundo lugar, es necesario desarrollar una tecnología de medición similar a la espectroscopia de fotoelectrones con resolución angular en sistemas atómicos ultrafríos.
Después de años de arduo trabajo, el equipo de investigación estableció una plataforma de simulación cuántica atómica de litio-disprosio ultrafría y logró la preparación de gas Fermi uniforme líder en el mundo. El equipo de investigación también ha desarrollado una tecnología de estabilización para grandes campos magnéticos. Bajo un campo magnético de aproximadamente 700G, su fluctuación a corto plazo es mejor que 25μG y la estabilidad relativa del campo magnético es cercana a 10-8, que es más de un orden de magnitud mayor que los mejores resultados internacionales anteriores. Bajo este campo magnético ultraestable, el equipo de investigación pudo implementar con éxito una tecnología de espectroscopia de microondas que puede resolver el impulso de los átomos ultrafríos. Sobre esta base, el equipo de investigación midió sistemáticamente la función espectral de una sola partícula del gas unitario de Fermi a diferentes temperaturas y observó con éxito la existencia de un pseudoespacio, que apoyó la hipótesis del preemparejamiento de electrones (como se muestra en la Figura 2).
Figura 2. Esquema del espectro de una sola partícula. Las bolas conectadas e independientes representan pares de Cooper y partículas individuales respectivamente, y la brecha superficial es la pseudo brecha de energía. /Dibujo: Chen Lei
Este trabajo de investigación no sólo avanza en el estudio de sistemas multicuerpos fuertemente correlacionados, sino que también proporciona una base experimental importante para mejorar la teoría de multicuerpos. Además, la tecnología de control cuántico de átomos ultrafríos desarrollada en este trabajo sentó las bases técnicas para el siguiente paso de estudiar otros fenómenos importantes de la física de la materia condensada, como la superfluidez de banda única, la fase de franja, la superfluidez FFLO, etc. Los revisores de la revista Nature coincidieron unánimemente en que "este trabajo resuelve un importante problema físico de larga data y es un hito en la investigación de simulación cuántica".
Equipos de investigación relevantes de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han llevado a cabo un trabajo fructífero en simulaciones cuánticas basadas en átomos ultrafríos en los últimos años y han publicado 10 artículos de alta calidad en Nature and Science. Basándose en la acumulación de tecnologías anteriores, la simulación cuántica de átomos ultrafríos ha comenzado a mostrar una eficacia significativa a la hora de revelar las leyes de sistemas físicos complejos, incluidos mecanismos superconductores de alta temperatura, allanando el camino para la construcción de un simulador cuántico específico capaz de resolver problemas prácticos en un futuro próximo.
Hu Hui de la Universidad Tecnológica de Swinburne y Chen Qijin de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China son colaboradores teóricos en este trabajo. Esta investigación fue apoyada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Academia de Ciencias de China, la provincia de Anhui, la municipalidad de Shanghai y la Fundación Científica New Cornerstone.
Enlace del artículo: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
(Escuela de Física, Centro Nacional de Investigación de Ciencias Físicas a Microescala de Hefei, Instituto de Información Cuántica e Innovación en Tecnología Cuántica, Academia China de Ciencias, Departamento de Investigación)