中国科学技術大学のPan Jianwei氏、Yao Xingcan氏、Chen Yuao氏らは、強く相互作用する一様なフェルミガスに基づく多体対形成によって生成される擬似ギャップを初めて観察した。この研究は、擬似対形成ギャップの存在を初めて確立し、高温超伝導メカニズムにおける電子事前対形成仮説の支持を提供し、高温超伝導メカニズムの理解に向けた重要な一歩を踏み出し、重要な物理的問題を解決するために量子シミュレーションを使用した例である。この成果は2月8日、「ユニタリフェルミガスにおける擬似ギャップの観察と定量化」というタイトルで権威ある国際学術誌ネイチャーに掲載された。


図 1: 頭に翡翠のビーズを付けた 2 匹の鯉は、逆のスピンを持つ一対のフェルミ粒子を象徴しています。ドラゴンゲートは超流動相転移と擬似エネルギーギャップを表します。コイはガントリーを飛び越え、超流動相転移温度以上でペアリングが起こることを示した。このペアリング現象は、今度は擬似エネルギー ギャップの出現につながります。 /絵：チェン・レイ

エネルギーギャップの生成は超伝導の象徴的な現象です。従来の超電導体では、超電導相転移温度以下にエネルギーギャップが存在します。銅酸化物高温超伝導体の発見により、超伝導相転移温度を超えてもエネルギーギャップが観察されることがあります。この現象を擬似ギャップといいます。擬似ギャップの起源と特性は、高温超伝導のメカニズムを解明するための重要な手がかりを提供する可能性があります。学界は一般に、考えられる主な擬似ギャップ機構が 2 つあると考えています。1 つは、超伝導相転移温度を超える温度での電子多体事前対合に由来するものです。もう 1 つは、反強磁性秩序、ストライプ秩序、ペアリング密度波など、高温超伝導体に見られるさまざまな量子秩序相に由来します。しかし、実際の高温超電導材料系は非常に複雑であり、考えられるさまざまなメカニズムが相互に競合しているため、どのメカニズムが働いているのかは明らかではありませんでした。

強い相互作用（ユニタリー）限界にある超低温フェルミガスは、その純度と制御性により、擬似ギャップのメカニズムを研究するための理想的な量子シミュレーションプラットフォームを提供します。一方で、フェルミ原子間の強力な引力相互作用は、多体対形成に好ましい条件を作り出します。一方、このシステムは複数の量子秩序相間の競合を回避できます。したがって、この系で擬似ギャップが観察できるかどうかは、多体対形成機構の決定的な検証となるでしょう。しかし、この科学的目標の実現には 2 つの大きな技術的課題があり、これがこれまでの研究がブレークスルーを達成できなかった理由でもあります。第 1 に、高品質で密度が均一な単一フェルミ ガスを準備する必要があります。第二に、超低温原子系における角度分解光電子分光法と同様の測定技術を開発する必要がある。

研究チームは長年の努力の末、超低温リチウム・ジスプロシウム原子量子シミュレーションプラットフォームを確立し、世界をリードする均一なフェルミガスの調製を達成した。研究チームは大磁場に対する安定化技術も開発した。約700Gの磁場下では、その短期変動は25μGより良好であり、相対的な磁場安定性は10-8に近く、これまでの国際最高の結果よりも一桁以上高い。この超安定な磁場の下で、研究チームは極低温原子の運動量を分解できるマイクロ波分光技術の実装に成功した。これに基づいて、研究チームは、さまざまな温度でユニタリフェルミガスの単一粒子スペクトル関数を体系的に測定し、擬似ギャップの存在を観察することに成功しました。これは、電子事前対形成仮説を裏付けるものでした（図2を参照）。


図 2. 単一粒子のスペクトルの概略図。接続されたボールと独立したボールはそれぞれクーパー対と単一粒子を表し、表面ギャップは擬似エネルギー ギャップです。 /絵：チェン・レイ

この研究成果は、強相関多体システムの研究を前進させるだけでなく、多体理論を改善するための重要な実験基盤も提供します。さらに、この研究で開発された超低温原子量子制御技術は、シングルバンド超流動、ストライプ相、FFLO超流動など、他の重要な物性物理現象を研究する次のステップのための技術的基盤を築きました。Nature誌の査読者は満場一致で、「この研究は重要な長年の物理的問題を解決し、量子シミュレーション研究におけるマイルストーンである」と同意しました。

中国科学技術大学の関連研究チームは近年、超低温原子に基づく量子シミュレーションで実りある研究を実施し、Nature および Science 誌に 10 本の質の高い論文を発表しました。超冷原子量子シミュレーションは、これまでの技術の蓄積に基づき、高温超伝導機構を含む複雑な物理系の法則の解明に大きな効果を発揮し始めており、近い将来、実用的な問題を解決できる専用の量子シミュレータの構築に道が開かれています。

スウィンバーン工科大学の Hu Hui と中国科学技術大学の Chen Qijin は、この研究の理論的共同研究者です。この研究は、科学技術省、中国国立自然科学財団、中国科学院、安徽省、上海市、およびNew Cornerstone Science Foundationの支援を受けました。

論文リンク: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y

(物理学部、合肥国立マイクロスケール物理科学研究センター、中国科学院量子情報・量子技術イノベーション研究所、研究部)