중국 과학 기술 대학의 Pan Jianwei, Yao Xingcan, Chen Yuao 등은 강력하게 상호 작용하는 균일한 페르미 가스를 기반으로 하는 다체 쌍에 의해 생성된 의사 간격을 처음으로 관찰했습니다. 이 연구는 처음으로 짝짓기 유사갭의 존재를 확립하고, 고온 초전도 메커니즘에서 전자 사전 짝짓기 가설을 뒷받침하며, 고온 초전도 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단계를 밟고, 중요한 물리적 문제를 해결하기 위해 양자 시뮬레이션을 사용한 예입니다. 이 결과는 권위 있는 국제학술지 네이처(Nature) 2월 8일자 '단위 페르미가스의 유사갭 관찰 및 정량화'라는 제목으로 게재됐다.


그림 1: 머리에 옥구슬이 달린 잉어 두 마리는 반대 방향으로 회전하는 페르미온 한 쌍을 상징합니다. 드래곤 게이트는 초유체 상전이와 유사 에너지 갭을 나타냅니다. 잉어가 갠트리 위로 뛰어오르는 것은 초유체 상전이 온도 이상에서 페어링이 발생함을 나타냅니다. 이러한 페어링 현상은 결국 의사에너지 격차의 출현으로 이어집니다. /그림: 첸 레이

에너지 갭의 발생은 초전도의 대표적인 현상이다. 기존의 초전도체에서는 초전도 상전이 온도 아래에 에너지 갭이 존재합니다. 구리산염 고온 초전도체의 발견으로 초전도 상전이 온도 이상에서도 에너지 격차가 여전히 관찰될 수 있습니다. 이 현상을 의사갭(pseudogap)이라고 합니다. 유사갭의 기원과 특성은 고온 초전도 메커니즘에 대한 답을 찾는 핵심 단서를 제공할 수 있습니다. 학계에서는 일반적으로 두 가지 주요 의사갭 메커니즘이 있다고 생각합니다. 하나는 초전도 상전이 온도 이상의 전자 다중체 사전 페어링에서 파생됩니다. 다른 하나는 반강자성 순서, 스트라이프 순서 및 페어링 밀도파와 같은 고온 초전도체에서 발견되는 다양한 양자 순서 위상에서 파생됩니다. 그러나 실제 고온 초전도 물질 시스템은 매우 복잡하고 다양한 메커니즘 소스가 서로 경쟁하기 때문에 어떤 메커니즘이 작동하는지 명확하지 않습니다.

강한 상호작용(단일) 한계의 초저온 페르미 가스는 순도와 제어 가능성으로 인해 의사갭 메커니즘 연구에 이상적인 양자 시뮬레이션 플랫폼을 제공합니다. 한편으로는 페르미 원자 사이의 강한 인력 상호 작용이 다체 쌍을 이루는 데 유리한 조건을 만듭니다. 반면에 시스템은 여러 양자 정렬 단계 간의 경쟁을 피할 수 있습니다. 따라서 이 시스템에서 의사간격이 관찰될 수 있는지 여부는 다체 페어링 메커니즘에 대한 결정적인 검증이 될 것입니다. 그러나 이러한 과학적 목표를 실현하려면 두 가지 주요 기술 과제에 직면하게 되는데, 이는 이전 연구가 획기적인 성과를 거두지 못한 이유이기도 합니다. 첫째, 고품질의 균일한 밀도의 단일 페르미 가스를 준비해야 합니다. 둘째, 초저온 원자계에서의 각도분해 광전자분광법과 유사한 측정기술의 개발이 필요하다.

수년간의 노력 끝에 연구팀은 초저온 리튬-디스프로슘 원자 양자 시뮬레이션 플랫폼을 구축하고 세계 최고의 균일한 페르미 가스 준비를 달성했습니다. 연구팀은 대규모 자기장 안정화 기술도 개발했다. 약 700G의 자기장에서 단기 변동은 25μG보다 우수하고 상대 자기장 안정성은 10-8에 가까워 이전 국제 최고 결과보다 10배 이상 높습니다. 연구팀은 이러한 초안정 자기장 하에서 초저온 원자의 운동량을 분해할 수 있는 마이크로파 분광학 기술을 성공적으로 구현했다. 이를 바탕으로 연구팀은 서로 다른 온도에서 단일 페르미 가스의 단일 입자 스펙트럼 함수를 체계적으로 측정하고 유사갭의 존재를 성공적으로 관찰했으며, 이는 전자 사전 쌍 가설을 뒷받침합니다(그림 2 참조).


그림 2. 단일 입자 스펙트럼의 개략도. 연결된 공과 독립된 공은 각각 쿠퍼 쌍과 단일 입자를 나타내며 표면 간격은 유사 에너지 간격입니다. /그림: 첸 레이

이 연구 작업은 강하게 상관된 다물체 시스템에 대한 연구를 발전시킬 뿐만 아니라 다물체 이론을 개선하기 위한 중요한 실험적 기초를 제공합니다. 또한, 이 연구에서 개발된 초저온 원자 양자 제어 기술은 단일 밴드 초유동성, 스트라이프 위상, FFLO 초유동성 등과 같은 다른 중요한 응집 물질 물리학 현상을 연구하는 다음 단계를 위한 기술적 토대를 마련했습니다. Nature 잡지의 평론가들은 "이 연구가 오랫동안 지속되어 온 중요한 물리적 문제를 해결하고 양자 시뮬레이션 연구의 이정표"라는 데 만장일치로 동의했습니다.

중국 과학 기술 대학의 관련 연구팀은 최근 몇 년간 초저온 원자를 기반으로 한 양자 시뮬레이션에서 유익한 작업을 수행했으며 Nature 및 Science에 10개의 고품질 논문을 발표했습니다. 이전 기술의 축적을 바탕으로 초저온 원자 양자 시뮬레이션은 고온 초전도 메커니즘을 포함한 복잡한 물리 시스템의 법칙을 밝히는 데 상당한 효율성을 보여주기 시작했으며 가까운 미래에 실제 문제를 해결할 수 있는 전용 양자 시뮬레이터 구축의 길을 열었습니다.

Swinburne 기술 대학의 Hu Hui와 중국 과학 기술 대학의 Chen Qijin은 이 연구의 이론적 협력자입니다. 이 연구는 과학기술부, 중국 국립자연과학재단, 중국과학원, 안후이성, 상하이 자치단체 및 New Cornerstone Science Foundation의 지원을 받았습니다.

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

(물리학부, 허페이 국립 미시 물리 과학 연구 센터, 양자 정보 및 양자 기술 혁신 연구소, 중국 과학원, 연구 부서)