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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

赝能隙表现为正常状态单粒子能谱中光谱权重的耗尽，直观上是由强烈的电子对波动产生的，是超出标准巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论的相干电子对凝聚的前兆。幺正费米气体具有发散的s波散射长度，由于其前所未有的可控性、纯度，为观察长期寻找的对涨落驱动的赝能隙提供了理想的平台和量子模拟器。

然而，赝能隙的研究仍存在以下问题：

1、铜酸盐高温超导性起源的研究受限于赝能隙的发展

铜酸盐高温超导性的微观起源仍然未知，人们普遍认为，通过更好地理解赝能隙相可以解析这一问题，但受到d密度波、条纹相等竞争量子序的阻碍。

2、现有的实验分辨率不足以分析赝能隙

人们发展了射频光谱技术来探测费米子的配对，特别地，在动量分辨率下，测量了陷阱平均的单粒子谱函数。然而，实验分辨率不足以分辨两个预期的准粒子分支，只观察到非常宽的光谱响应。    

3、赝能隙现象的解释存在争议

色散在波数k大于费米波数k_F时表现出背弯行为，这种背弯行为提供了赝能隙的原始迹象。然而，关于这种解释一直存在争论，因为在k>k_F处的背弯可以发生在任何短程相互作用的费米系统中。

有鉴于此，中科大潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人通过动量分辨微波光谱精确测量费米子谱函数，报告了在Li-6原子的均质幺正费米气体中观察到的电子对波动性驱动的赝能隙，并且没有来自终态相互作用的杂散效应。通过分析光谱定量确定配对间隙、逆配对寿命和单粒子散射率的温度依赖性，发现在超流体转变温度之上存在一个大的赝能隙。逆对寿命表现出热激活指数行为，揭示了微观虚拟对断裂和重组机制。所获得的大的、与温度无关的单粒子散射率与普朗克极限设定的散射率相当。该研究结果定量地描述了强相互作用费米气体中的赝能隙，并支持了预配对作为超流的前驱体的作用。

技术方案：    

1、阐明了实验方案和设置

作者实现了在给定温度下创建均匀单一费米气体，制备6个Li原子磁场 并设计了一个圆柱形盒式陷阱。

2、分析了费米子谱函数

作者考虑了最低温度(0.77T_c)和最高温度(1.51T_c)两种极限情况，实现了配对间隙Δ的明确、直接的可视化，提供了幺正费米气体中赝能隙的确凿证据。

3、探究了费米子自能和EDC

作者从EDC中提取费米子自能Σ(k, ω)，展示了EDCs在所有T下作为k函数的演化，使用类似BCS公式的色散拟合和EDC拟合，保证了获得的赝能隙尺寸的定量准确性。

技术优势：

1、首次观测到由多体配对产生的赝能隙

作者基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到了由多体配对产生的赝能隙，首次确立了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持。

2、开发了新的动量分辨微波光谱，具有高能量分辨率

作者开发了一种新的动量分辨微波光谱来探测费米子谱函数，利用盒式陷阱消除了陷阱不均匀性，微波光谱消除了与最终态相互作用的复杂性，实现了磁场的超高稳定性和具有高能量分辨率的微波跃迁。

技术细节

实验方案和设置

基于作者前期工作，实现了在给定温度下创建均匀单一费米气体。两个主要区别：首先，在两个超精细能级|1⟩≡|F=1/2，m_F=1/2⟩和|3⟩≡|F=3/2，m_F=−3/2⟩等量制备6个Li原子磁场 B₀=689.68G（即幺正极限），其次，设计了一个直径为84μm、高度为41μm的圆柱形盒式陷阱。在动量分辨微波光谱中，使用强度为V，时间间隔-t_p/2≤t≤+t_p/2。通过开发和结合多种磁场稳定技术实现了在短时间内将磁场稳定性显着提高至少两个数量级。    

图  实验方案

费米子谱函数

创建具有大E_F的均匀单一费米气体，并实现具有可忽略终态效应的动量分辨微波光谱，能够突破之前无法访问的参数范围并测量A(k, ω)。作者考虑了最低温度(0.77T_c)和最高温度(1.51T_c)两种极限情况，观察到两个独特的特征：更小的光谱宽度E_w和峰值位置E_p的决定因素是△和哈特里能量U。为了直接观察多体配对间隙，分别给出了T= 0.77T_c和1.51T_c处的动量分辨微波谱A(k, ω)k²。对于T= 0.77T_c，观察到两个分离良好的激发分支，费米面附近的谱权重显着耗尽，这提供了配对间隙Δ的明确、直接的可视化。接着，作者然后研究了A(k, ω)在T_c上的演化并确定T相关的配对间隙Δ(T)，对于T≥T_c的正常态，费米面附近谱权的抑制得到了明确的揭示，提供了幺正费米气体中赝能隙的确凿证据。    

图  0.77T_c和1.51T_c处的微波光谱

图  超流体转变过程中不同温度下的动量分辨微波光谱

费米子自能和EDC    

接下来，作者从EDC中提取费米子自能Σ(k, ω)，它是表征单一费米气体（或任何相互作用系统）的多体相互作用效应的关键量。作者展示了EDCs在所有T下作为k函数的演化，分析了k≈k*0.93k_F处的归一化EDC，谱权重的最大抑制发生在ħω≈μ处。随着T的增加，EDC的温度依赖性变得明显。使用类似BCS公式的色散拟合和EDC拟合，在所有温度下产生几乎相同的Δ。这保证了获得的赝能隙尺寸的定量准确性，从而为多体理论提供了实验基准。

图  Δ、Г和EDC的温度依赖性

总之，本工作通过动量分辨微波光谱，在不存在终态效应的情况下，为均匀幺正费米气体中存在源自强电子对波动的赝能隙的存在提供了确凿的证据。研究结果不仅证明多体配对赝能隙相是超流性的前兆，而且还提供了超流相和正相中幺正费米气体的微观细节。此外，动量分辨微波光谱学为探测强相互作用费米子的许多难以捉摸的量子相提供了强大的工具。

参考文献：    

Li, X., Wang, S., Luo, X. et al. Observation and quantification of the pseudogap in unitary Fermi gases. Nature 626, 288–293 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y