Los investigadores han realizado un descubrimiento histórico en la física cuántica al observar y cuantificar el pseudoespacio característico del acoplamiento de muchos cuerpos en los gases unitarios de Fermi, un tema de debate durante casi dos décadas. Este hallazgo no sólo resuelve preguntas de larga data sobre la naturaleza del pseudoespacio en estos gases, sino que también ofrece un vínculo potencial con el pseudoespacio observado en los superconductores de alta temperatura. Crédito: SciTechDaily.com
Los investigadores finalmente han observado el pseudoespacio de acoplamiento de muchos cuerpos en los gases unitarios de Fermi, lo que ha ampliado nuestra comprensión del mecanismo de superconductividad.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Jian Wei Pen, Xingqin Yao y Yuo Chen de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias ha observado y cuantificado por primera vez las propiedades del acoplamiento de muchos cuerpos. . pseudogap en gases unitarios de Fermi.
Este logro, perseguido por la comunidad nuclear ultrafría durante casi dos décadas, resuelve el debate de larga data sobre la existencia de una pseudobrecha por pares en estos gases. También apoya el emparejamiento como un posible origen del pseudogap en superconductores de alta temperatura, dentro del marco de la teoría de la superconductividad de pares preformados.
Publicado en naturaleza El 7 de febrero este estudio coincide con el próximo año del Dragón. Curiosamente, la física detrás de este logro puede ilustrarse claramente con el clásico mito chino de la «carpa saltando la puerta del dragón», un símbolo de gran éxito en la cultura china.
En esta exhibición funcional, dos carpas, cada una con una cuenta de jade en la boca, emiten fermiones con espines opuestos. Dragon Gate representa tanto una transición superfluida como una pseudobrecha. La imagen de la carpa saltando sobre la puerta del dragón muestra a la pareja por encima de la temperatura de transición de la fase superfluida. Este fenómeno de acoplamiento, a su vez, conduce a la aparición de un pseudogap. Crédito: Li Chen
Descubriendo el misterio de la superconductividad
La existencia de una brecha energética es un fenómeno destacado de la superconductividad. En los superconductores convencionales, la brecha de energía existe a la temperatura de transición superconductora (TC). Sorprendentemente, en los superconductores de alta temperatura del cuprato, la brecha de energía todavía se puede observar por encima de T .Cun fenómeno conocido como pseudogap.
Comprender el origen y la naturaleza del pseudoespacio es crucial para comprender los mecanismos de la superconductividad de alta temperatura, particularmente con respecto a cómo se forman los pares de Cooper y establecen coherencia de fase de largo alcance.
Hay dos hipótesis principales sobre el origen del pseudoespacio: es el resultado de un fuerte flujo de pares, que aparece como un par de electrones preformado por encima de T;C Y la pareja contemporánea está actuando como precursora de la condensación; Y surge de varios órdenes cuánticos en superconductores de alta temperatura, como el orden antiferromagnético, la fase de franja y las ondas de densidad de Jore. Sin embargo, la complejidad de los materiales superconductores de alta temperatura deja estas preguntas en gran medida sin respuesta.
Las esferas rojas y azules simbolizan átomos fermiónicos con espín ascendente y descendente, respectivamente. Las superficies cuadriculadas representan el panorama de impulso-energía de las cuasipartículas. Los fermiones emparejados ocupan la superficie inferior, mientras que los fermiones no apareados ocupan la superficie superior. El espacio entre las superficies indica un pseudoespacio, lo que indica que se requiere una pequeña cantidad de energía para romper los pares de fermiones. Los pares de fermiones borrosos en el espacio sugieren un llenado parcial del pseudoespacio. Crédito: Li Chen
La simulación cuántica arroja nueva luz
Los gases unitarios de Fermi proporcionan una plataforma de simulación cuántica ideal para investigar la existencia y las propiedades de un pseudoespacio de acoplamiento. Esto puede deberse a su incomparable controlabilidad, pureza y, lo más importante, a la presencia de conocidas interacciones atractivas de corto alcance.
Además, la ausencia de una estructura lineal en los gases de Fermi a granel elimina la influencia de los órdenes cuánticos en competencia. En este contexto, experimentos anteriores han medido la función espectral de una sola partícula promediada por trampa de gases Fermi que interactúan fuertemente.
Sin embargo, estos experimentos no han proporcionado pruebas convincentes de una pseudobrecha, principalmente debido a los inusuales y graves problemas de complejidad que surgen de las interacciones del estado final en la espectroscopia de RF de uso común.
Después de años de trabajo dedicado, un equipo de investigación de la USTC ha establecido una plataforma de simulación cuántica utilizando átomos de litio y disprosio ultrafríos, y logró la fabricación de última generación de gases Fermi homogéneos (ciencia).
Además, el equipo desarrolló técnicas novedosas para estabilizar los campos magnéticos necesarios. En un campo magnético de aproximadamente 700 G, las fluctuaciones a corto plazo obtenidas están por debajo de 25 μG, lo que da como resultado una estabilidad relativa del campo magnético récord. Este campo magnético altamente estable permitió al equipo de investigación utilizar pulsos de microondas para excitar átomos a estados de alta energía no relacionados con los estados iniciales, realizando así la espectroscopia de fotoemisión con resolución de velocidad.
Con estos dos importantes avances técnicos, el equipo de investigación midió sistemáticamente la función espectral de una sola partícula de los gases unitarios de Fermi a diferentes temperaturas y observó la presencia de un pseudoespacio de emparejamiento, lo que respalda el papel de los pares de precesión como precursores.
Además, a partir de la función espectral medida, el equipo de investigación determinó la divergencia del par, la vida útil del par y la tasa de dispersión de partículas individuales, que son cantidades esenciales para caracterizar el comportamiento de sistemas cuánticos que funcionan fuertemente. Estos resultados no sólo avanzan en el estudio de sistemas fuertemente correlacionados, sino que también proporcionan conocimientos e información valiosos para establecer una teoría de muchos cuerpos adecuada.
Las técnicas desarrolladas en este trabajo sientan las bases para futuras exploraciones y estudios de otras importantes fases cuánticas de baja temperatura, como la superfluidez de banda única, la fase de tira y la superfluidez plegada de Ferrell-Larkin-Ochnikov.
Cita: «Observación y cuantificación de pseudogaps en gases unitarios de Fermi» Xi Li, Shuai Wang, Xiang Luo, Yu-Yang Zhou, Ke Xie, Hong-chi Shen, Yu-Zhao Nie, Qijin Chen, Hui Hu, Yu-Ao Chen , Xing-Kin Yao y Jian-Wei Pan, 7 de febrero de 2024, naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06964-y
