中國科學(xué)家首次觀測到多體配對贗能隙
新華社合肥2月8日電(記者徐海濤、陳諾)為什么會(huì)出現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象?這是物理學(xué)研究的重大課題。近期,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人基于強(qiáng)相互作用的均勻費(fèi)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(jī)理邁出重要一步。2月8日,國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。
1911年,荷蘭物理學(xué)家卡末林?昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度下降到零下277攝氏度左右時(shí),汞金屬的電阻會(huì)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(jí)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(xué)界不斷推進(jìn)對超導(dǎo)機(jī)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(xué)家因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
“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(huì)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。”中科大教授姚星燦說,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(huì)雙雙“結(jié)對”擁有了兩只翅膀,成群結(jié)隊(duì)地朝一個(gè)方向飛去,不受阻力地形成電流,這就是低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。
但到了1986年,有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新材料,在零下238攝氏度左右時(shí)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。科學(xué)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(huì)“結(jié)對”,只是會(huì)“亂飛”,電子流動(dòng)仍然受阻。
BCS理論認(rèn)為,這種“結(jié)對有序飛行”會(huì)產(chǎn)生能隙。而電子預(yù)配對假說則認(rèn)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(jī)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(tuán)隊(duì)研究贗能隙獲重要進(jìn)展。他們建立超冷鋰―鏑原子量子模擬平臺(tái),通過世界先進(jìn)的均勻費(fèi)米氣體制備和大磁場穩(wěn)定技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)超冷原子動(dòng)量可分辨的微波譜學(xué)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)測量不同溫度下的幺正費(fèi)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。
《自然》雜志多位審稿人認(rèn)為,“這項(xiàng)工作解決了一個(gè)長期存在的重要物理問題,是量子模擬研究的里程碑式進(jìn)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(jī)理,有望開發(fā)出更有價(jià)值的應(yīng)用。
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