[论文解读] Observation and quantification of pseudogap in unitary Fermi gases

Xi Li, Shuai Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究通过动量分辨微波光谱技术，在均匀的简并费米气体中观测并量化了由成对涨落驱动的赝能隙，该方法消除了射频光谱中常见的末态效应。实验揭示了在临界温度 Tc 以上存在一个大而与温度无关的赝能隙，反成对寿命表现出热激活行为，与虚成对的断裂和重组一致，且单粒子散射率接近普朗克极限，证实了预形成成对态是超流性的前驱物。

ABSTRACT

The nature of pseudogap lies at the heart of strongly-interacting superconductivity and superfluidity. With known pairing interactions, unitary Fermi gases provide an ideal testbed to verify whether a pseudogap can arise from many-body pairing. Here we report the observation of the long-sought pair-fluctuation-driven pseudogap in homogeneous unitary Fermi gases of lithium-6 atoms, by precisely measuring the spectral function through momentum-resolved microwave spectroscopy without the serious effects of final-state effect. We find a large pseudogap above the superfluid transition. The inverse pair lifetime exhibits a thermally-activated exponential behavior, uncovering the microscopic virtual pair breaking and recombination mechanism. The obtained large, T-independent single-particle scattering rate is comparable with that set by the Planckian limit. Our findings quantitatively characterize the pseudogap in strongly-interacting Fermi gases, highlighting the role of preformed pairing as a precursor to superfluidity.

研究动机与目标

• 解决强关联费米系统中赝能隙是否存在这一长期争议问题。
• 实验验证在简并费米气体中赝能隙源于强成对涨落引起的预形成库珀对。
• 在均匀系统中对配对能隙 Δ(T)、反成对寿命 Γ₀ 和单粒子散射率 Γ₁ 进行定量测量。
• 消除以往光谱测量中因末态效应和阱内不均匀性等实验伪影带来的干扰。
• 为强相互作用费米气体及高温超导体的多体理论提供基准参考。

提出的方法

• 采用圆柱形盒式阱实现均匀的 6Li 费米气体，消除了谐振阱引起的空间不均匀性。
• 发展动量分辨微波光谱技术以探测谱函数 A(k,ω)，避免了射频光谱中常见的末态相互作用问题。
• 使用高稳定磁场实现超高的能量分辨率，用于超精细态之间的微波跃迁。
• 采用最小费米子自能模型对测得的谱函数进行拟合：Σ(k,ω) = Δ² / (iħΓ₀ - iħΓ₁ + [ξ(k) - εk + μ])，其中 ξ(k) = ħ²k²/2m* + U - μ。
• 通过准粒子能带拟合与能量分布曲线（EDC）分析两种方法提取 Δ(T)、Γ₀(T) 和 Γ₁，以实现交叉验证。
• 系统性地进行从 T ≈ 0.77Tc 到 1.51Tc 的温度扫描，以绘制赝能隙与弛豫率的温度依赖行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在均匀的简并费米气体中是否存在由成对涨落驱动的赝能隙？是否可被实验观测到？
• RQ2 反成对寿命 Γ₀ 的微观起源是什么？其行为是否符合热激活规律？
• RQ3 单粒子散射率 Γ₁ 在 Tc 附近的行为如何？是否趋近于普朗克极限？
• RQ4 谱函数是否能在 Tc 以上揭示两个明显的 BCS 类似准粒子分支，表明存在预形成配对？
• RQ5 所提取的参数 Δ(T)、Γ₀(T) 和 Γ₁ 在多体理论中能提供多大程度的定量基准？

主要发现

• 在 T ≈ 1.11Tc 处观测到配对能隙 Δ(1.11Tc) = 0.195(3)EF，表明赝能隙在高达 1.51Tc 的温度下依然存在，证实了显著的赝能隙窗口。
• 反成对寿命 Γ₀ 表现出热激活的指数依赖关系，活化能 Ea = 2Δ₀，其中 Δ₀ = 0.39(8)EF，与虚成对的断裂和重组过程一致。
• 在 Tc 附近，单粒子散射率 Γ₁ ≈ 0.3EF/ħ，约为普朗克极限（kB T/ħ）的 1.7 倍，表明单位超散射导致强散射。
• Γ₁ 在 Tc 附近表现出微弱的温度依赖性，表明其主要与配对无关，且与单位费米气体中的粘性弛豫率一致。
• 通过能带拟合与 EDC 拟合提取的赝能隙结果在误差范围内一致，证实了测量结果的定量准确性和鲁棒性。
• 在 A(k,ω) 中观测到 Tc 以上存在两个 BCS 类似准粒子分支，为预形成库珀对作为超流性的前驱物提供了直接证据。