Une équipe de recherche a, pour la première fois, observé et caractérisé quantitativement le pseudogap d’appariement à N corps dans les gaz de Fermi unitaires. Cette réalisation, recherchée par la communauté atomique ultra-froide depuis près de deux décennies, résout des débats de longue date concernant l'existence d'un pseudo-espace d'appariement dans ces gaz. Il soutient également l'appariement comme origine possible du pseudogap dans les supraconducteurs à haute température, dans le cadre de la théorie de la supraconductivité des paires préformées.
Publié dans Nature Le 7 février, l'étude, dirigée par les professeurs Pan Jianwei, Yao Xingcan et Chen Yu'ao de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences, coïncide avec la prochaine Année du Dragon. Il est intéressant de noter que la physique derrière cet exploit peut être illustrée de manière frappante par le mythe chinois emblématique de la « Carpe sautant par-dessus la porte du dragon », symbolisant un grand succès dans la culture chinoise.
L’existence d’un trou énergétique est un phénomène caractéristique de la supraconductivité. Dans les supraconducteurs conventionnels, l'écart énergétique existe en dessous de la température de transition supraconductrice (Tc ). Dans les supraconducteurs cuprates à haute température, l'écart énergétique peut encore être observé même au-dessus de Tc , un phénomène connu sous le nom de pseudogap.
Comprendre l'origine et la nature du pseudogap est crucial pour comprendre le mécanisme de la supraconductivité à haute température, en particulier en ce qui concerne la façon dont les paires de Cooper se forment et établissent une cohérence de phase à longue portée.
Il existe deux hypothèses principales quant à l'origine du pseudogap :il résulte de fortes fluctuations de paires, se manifestant par des paires d'électrons préformées au-dessus de Tc et servant de précurseur à la condensation de paires cohérentes ; et cela résulte de divers ordres quantiques dans les supraconducteurs à haute température, tels que l'ordre antiferromagnétique, la phase en bandes et l'onde de densité de paires. Pourtant, la complexité des matériaux supraconducteurs à haute température laisse ces questions largement sans réponse.
Les gaz de Fermi unitaires constituent une plate-forme de simulation quantique idéale pour étudier l'existence et les caractéristiques d'un pseudogap d'appariement. Cela peut être attribué à leur contrôlabilité, à leur pureté sans précédent et, surtout, à la présence d’interactions attractives à courte portée connues. De plus, l'absence de structure de réseau dans les gaz de Fermi en vrac élimine l'influence des ordres quantiques concurrents.
Dans ce contexte, des expériences antérieures ont mesuré la fonction spectrale d'une particule unique moyennée par piège de gaz de Fermi en interaction forte. Cependant, ces expériences n'ont pas fourni de preuves convaincantes d'un pseudogap, principalement en raison de l'inhomogénéité du piège et de graves problèmes découlant des interactions à l'état final dans la spectroscopie RF couramment utilisée.
Après des années de travail acharné, l'équipe de recherche de l'USTC a établi une plateforme de simulation quantique utilisant des atomes de lithium et de dysprosium ultrafroids, et a réalisé une préparation de pointe de gaz de Fermi homogènes (Science ). De plus, cette équipe a développé de nouvelles techniques pour stabiliser les champs magnétiques requis.
Avec un champ magnétique d'environ 700 G, les fluctuations à court terme obtenues sont inférieures à 25 μG, ce qui entraîne une stabilité relative du champ magnétique record. Ce champ magnétique ultra-stable a permis à l'équipe de recherche d'utiliser des impulsions micro-ondes pour exciter les atomes vers des états énergétiques élevés qui n'interagissent pas avec les états initiaux, réalisant ainsi une spectroscopie de photoémission résolue en impulsion.
Grâce à ces deux avancées techniques cruciales, l'équipe de recherche a systématiquement mesuré la fonction spectrale d'une particule unique des gaz de Fermi unitaires à différentes températures et a observé l'existence du pseudogap d'appariement, confirmant le rôle de l'appariement préformé en tant que précurseur de la superfluidité. P>
De plus, l'équipe de recherche a déterminé l'écart d'appariement, la durée de vie des paires et le taux de diffusion d'une seule particule à partir de la fonction spectrale mesurée, qui sont des quantités essentielles pour caractériser le comportement des systèmes quantiques à forte interaction.
Ces résultats font non seulement progresser l'étude des systèmes fortement corrélés, mais fournissent également des idées et des informations précieuses pour établir une théorie à N corps appropriée.
Les techniques développées dans ce travail jettent les bases de l'exploration et de l'étude futures d'autres phases quantiques importantes à basse température, telles que la superfluidité à bande unique, les phases à bandes et la superfluidité de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov.
Plus d'informations : Jian-Wei Pan, Observation et quantification du pseudogap dans les gaz de Fermi unitaires, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
