中國科學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）為什么會出現高溫超導現象？這是物理學研究的重大課題。近期，中國科學技術大學潘建偉、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生的贗能隙，朝著理解高溫超導機理邁出重要一步。2月8日，國際學術期刊《自然》發表了這項研究成果。

1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯發現，當溫度下降到零下277攝氏度左右時，汞金屬的電阻會降為零，這就是超導現象。如果能研制出室溫下電阻為零的“超級導體”，將能顯著改善人類的生產生活。

一百多年來，國際科學界不斷推進對超導機理的研究。1957年提出的BCS理論，成功在微觀層面解釋了超導現象的“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生超導現象。”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，但到了超導臨界溫度，它們就會雙雙“結對”擁有了兩只翅膀，成群結隊地朝一個方向飛去，不受阻力地形成電流，這就是低溫超導現象。

碳60材料中電子在常溫和低溫超導狀態下的不同表現。（制圖：夏園園）

但到了1986年，有科學家發現了一種新材料，在零下238攝氏度左右時就能產生超導效應，這種高溫超導現象讓BCS理論也難以解釋。科學界提出假說，這種材料內部的電子在超導溫度之上也會“結對”，只是會“亂飛”，電子流動仍然受阻。

BCS理論認為，這種“結對有序飛行”會產生能隙。而電子預配對假說則認為，“結對但亂飛”可以產生贗能隙。研究贗能隙的起源和性質，成為搞明白高溫超導機理的關鍵問題之一。

經過4年多艱苦攻關，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定技術，成功實現超冷原子動量可分辨的微波譜學技術。在此基礎上，系統測量不同溫度下的幺正費米氣體的單粒子譜函數，首次成功觀測到贗能隙存在，為電子預配對假說提供了支持。

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，人類已經利用超導技術開發出核磁共振、磁懸浮列車等產品，未來充分理解了高溫超導機理，有望開發出更有價值的應用。