中国科学家首次观测到多体配对赝能隙

新华社合肥2月8日电（记者徐海涛、陈诺）为什么会出现高温超导现象？这是物理学研究的重大课题。近期，中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到由多体配对产生的赝能隙，朝着理解高温超导机理迈出重要一步。2月8日，国际学术期刊《自然》发表了这项研究成果。

1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现，当温度下降到零下277摄氏度左右时，汞金属的电阻会降为零，这就是超导现象。如果能研制出室温下电阻为零的“超级导体”，将能显著改善人类的生产生活。

一百多年来，国际科学界不断推进对超导机理的研究。1957年提出的BCS理论，成功在微观层面解释了超导现象的“为什么”，提出理论的三位科学家因此获得诺贝尔奖。

“漫画家华君武先生曾画过一幅画，形象解释了低温下为何会发生超导现象。”中科大教授姚星灿说，如果把电子比喻成只有一只翅膀的蜜蜂，在常温下它们无法克服阻力飞起来，但到了超导临界温度，它们就会双双“结对”拥有了两只翅膀，成群结队地朝一个方向飞去，不受阻力地形成电流，这就是低温超导现象。

碳60材料中电子在常温和低温超导状态下的不同表现。（制图：夏园园）

但到了1986年，有科学家发现了一种新材料，在零下238摄氏度左右时就能产生超导效应，这种高温超导现象让BCS理论也难以解释。科学界提出假说，这种材料内部的电子在超导温度之上也会“结对”，只是会“乱飞”，电子流动仍然受阻。

BCS理论认为，这种“结对有序飞行”会产生能隙。而电子预配对假说则认为，“结对但乱飞”可以产生赝能隙。研究赝能隙的起源和性质，成为搞明白高温超导机理的关键问题之一。

经过4年多艰苦攻关，近期潘建伟团队研究赝能隙获重要进展。他们建立超冷锂—镝原子量子模拟平台，通过世界先进的均匀费米气体制备和大磁场稳定技术，成功实现超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上，系统测量不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数，首次成功观测到赝能隙存在，为电子预配对假说提供了支持。

单粒子谱示意图。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子，曲面间隙为赝能隙。（中国科学技术大学供图）

《自然》杂志多位审稿人认为，“这项工作解决了一个长期存在的重要物理问题，是量子模拟研究的里程碑式进展。”

科研人员介绍，人类已经利用超导技术开发出核磁共振、磁悬浮列车等产品，未来充分理解了高温超导机理，有望开发出更有价值的应用。