Uma equipe de pesquisa observou, pela primeira vez e caracterizou quantitativamente o pseudogap de emparelhamento de muitos corpos em gases Fermi unitários. Esta conquista, perseguida pela comunidade atómica ultracolada durante quase duas décadas, resolve debates de longa data sobre a existência de um pseudogap de emparelhamento nestes gases. Também apóia o emparelhamento como uma possível origem do pseudogap em supercondutores de alta temperatura, dentro da estrutura da teoria da supercondutividade de pares pré-formados.



Publicado em Natureza em 7 de fevereiro, o estudo, liderado pelos professores Pan Jianwei, Yao Xingcan e Chen Yu'ao da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências, coincide com o próximo Ano do Dragão. Curiosamente, a física por trás desta conquista pode ser vividamente ilustrada pelo icônico mito chinês da “Carpa saltando sobre o portão do dragão”, simbolizando grande sucesso na cultura chinesa.

A existência de uma lacuna de energia é um fenômeno característico da supercondutividade. Em supercondutores convencionais, o gap de energia existe abaixo da temperatura de transição supercondutora (T_c ). Em supercondutores cuprato de alta temperatura, a lacuna de energia ainda pode ser observada mesmo acima de T_c , um fenômeno conhecido como pseudogap.

Compreender a origem e a natureza do pseudogap é crucial para compreender o mecanismo da supercondutividade em alta temperatura, particularmente no que diz respeito a como os pares de Cooper se formam e estabelecem a coerência de fase de longo alcance.

Existem duas hipóteses principais para a origem do pseudogap:Ele resulta de fortes flutuações de pares, manifestando-se como pares de elétrons pré-formados acima de T_c e servindo como precursor da condensação de pares coerentes; e surge de várias ordens quânticas em supercondutores de alta temperatura, como a ordem antiferromagnética, fase de faixa e onda de densidade de pares. No entanto, a complexidade dos materiais supercondutores de alta temperatura deixa estas questões em grande parte sem resposta.

Os gases Fermi unitários fornecem uma plataforma de simulação quântica ideal para investigar a existência e as características de um pseudogap de emparelhamento. Isto pode ser atribuído à sua controlabilidade, pureza sem precedentes e, mais importante, à presença de interações atrativas de curto alcance conhecidas. Além disso, a ausência de uma estrutura reticulada nos gases Fermi elimina a influência de ordens quânticas concorrentes.

Neste contexto, experimentos anteriores mediram a função espectral de partícula única com média de armadilha de gases Fermi de forte interação. No entanto, esses experimentos não forneceram evidências convincentes de um pseudogap, principalmente devido à falta de homogeneidade da armadilha e aos sérios problemas decorrentes das interações de estado final na espectroscopia de RF comumente usada.

Após anos de trabalho dedicado, a equipe de pesquisa do USTC estabeleceu uma plataforma de simulação quântica usando átomos ultrafrios de lítio e disprósio, e alcançou uma preparação de última geração de gases Fermi homogêneos (Ciência ). Além disso, esta equipe desenvolveu novas técnicas para estabilizar os campos magnéticos necessários.

Em um campo magnético de aproximadamente 700 G, as flutuações de curto prazo alcançadas são inferiores a 25 μG, resultando em uma estabilidade relativa do campo magnético recorde. Este campo magnético ultraestável permitiu à equipe de pesquisa usar pulsos de micro-ondas para excitar átomos para estados de energia elevados que não interagem com os estados iniciais, realizando assim a espectroscopia de fotoemissão com resolução de momento.

Com estes dois avanços técnicos cruciais, a equipa de investigação mediu sistematicamente a função espectral de partícula única de gases Fermi unitários a diferentes temperaturas e observou a existência do pseudogap de emparelhamento, apoiando o papel do emparelhamento pré-formado como precursor da superfluidez.

Além disso, a equipe de pesquisa determinou a lacuna de emparelhamento, o tempo de vida do par e a taxa de espalhamento de partícula única a partir da função espectral medida, que são quantidades essenciais para caracterizar o comportamento de sistemas quânticos de forte interação.

Essas descobertas não apenas avançam no estudo de sistemas fortemente correlacionados, mas também fornecem insights e informações valiosas para o estabelecimento de uma teoria adequada de muitos corpos.

As técnicas desenvolvidas neste trabalho estabelecem as bases para a futura exploração e estudo de outras importantes fases quânticas de baixa temperatura, como superfluidez de banda única, fases de faixa e superfluidez Fulde – Ferrel – Larkin – Ovchinnikov.

Mais informações: Jian-Wei Pan, Observação e quantificação do pseudogap em gases Fermi unitários, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06964-y. www.nature.com/articles/s41586-023-06964-y
Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências