在這篇文章中，我將介紹一篇最新的物理論文，它報(bào)道了在一個(gè)吸引費(fèi)米-哈伯德氣體中，利用雙層顯微鏡技術(shù)，直接觀測到了非局域的費(fèi)米子配對(duì)現(xiàn)象。這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗沂玖藦?qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米系統(tǒng)中的超流性和贗能隙行為的微觀機(jī)制。

背景知識(shí)

費(fèi)米子是一類遵循泡利不相容原理的粒子，它們不能占據(jù)同一個(gè)量子態(tài)。這意味著當(dāng)費(fèi)米子之間有相互作用時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一些非常有趣和復(fù)雜的現(xiàn)象，比如超導(dǎo)和超流。超導(dǎo)是指在某個(gè)臨界溫度以下，某些材料的電阻突然變?yōu)榱悖梢詿o損地傳輸電流。超流是指在某個(gè)臨界溫度以下，某些流體（比如液氦）的粘滯系數(shù)突然變?yōu)榱悖梢詿o阻力地流動(dòng)。

這些現(xiàn)象的共同原因是費(fèi)米子之間形成了一種特殊的配對(duì)狀態(tài)，叫做庫珀對(duì)。庫珀對(duì)是由兩個(gè)相反自旋的費(fèi)米子組成的，它們之間有一個(gè)微弱的吸引力。這個(gè)吸引力可以來自于不同的機(jī)制，比如聲子介導(dǎo)或者磁性漲落。當(dāng)溫度足夠低時(shí)，庫珀對(duì)之間可以形成一個(gè)量子相干態(tài)，叫做BCS超流態(tài)。在這個(gè)態(tài)中，庫珀對(duì)之間有一個(gè)很長的相干長度，也就是說它們可以跨越很遠(yuǎn)的距離而保持相位關(guān)系。這樣一來，庫珀對(duì)就可以像玻色子一樣，在低溫下形成一個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）態(tài)。在BEC態(tài)中，所有的粒子都處于同一個(gè)量子態(tài)，表現(xiàn)出完全的量子相干性。

但是，并不是所有的費(fèi)米系統(tǒng)都可以形成BCS超流態(tài)。有些系統(tǒng)中，費(fèi)米子之間的吸引力很強(qiáng)，以至于它們可以形成一個(gè)很緊密的配對(duì)狀態(tài)，叫做分子態(tài)。在這種情況下，配對(duì)長度很短，也就是說兩個(gè)費(fèi)米子之間的距離很小。這樣一來，分子態(tài)就可以直接形成一個(gè)BEC態(tài)，而不需要經(jīng)過BCS超流態(tài)。這種從分子BEC到BCS超流的連續(xù)過渡叫做BEC-BCS串聯(lián)。

那么，在BEC和BCS之間有沒有一種中間的狀態(tài)呢？答案是肯定的。在BEC和BCS之間存在一個(gè)叫做贗能隙區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，費(fèi)米子已經(jīng)形成了配對(duì)狀態(tài)，但是還沒有達(dá)到超流臨界溫度。也就是說，在贗能隙區(qū)域中，費(fèi)米子配對(duì)是非局域的，它們的配對(duì)長度介于分子長度和相干長度之間。這種非局域的配對(duì)狀態(tài)是一種強(qiáng)關(guān)聯(lián)的費(fèi)米液體，它的性質(zhì)是非常復(fù)雜和有趣的。比如，它可能和電荷密度波或者自旋密度波等序參量競爭，導(dǎo)致一些奇異的相變和相圖。

實(shí)驗(yàn)方法

要直接觀測非局域的費(fèi)米子配對(duì)，我們需要一種可以在微觀尺度上分辨費(fèi)米子的自旋和密度的技術(shù)。幸運(yùn)的是，我們有一種理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就是冷原子物理中的費(fèi)米-哈伯德氣體。費(fèi)米-哈伯德氣體是由兩種不同自旋態(tài)的費(fèi)米子組成的，它們被限制在一個(gè)光學(xué)晶格中。光學(xué)晶格是由激光干涉產(chǎn)生的周期性勢(shì)場，它可以模擬出固體物理中的晶格結(jié)構(gòu)。在光學(xué)晶格中，費(fèi)米子之間有兩種主要的相互作用：一種是同一格點(diǎn)上不同自旋態(tài)的費(fèi)米子之間的吸引或排斥力，叫做哈伯德U；另一種是不同格點(diǎn)上費(fèi)米子之間的躍遷，叫做躍遷能t。通過調(diào)節(jié)這兩種相互作用，我們可以實(shí)現(xiàn)從弱耦合到強(qiáng)耦合的不同物理情況。

為了觀測費(fèi)米-哈伯德氣體中的非局域配對(duì)，研究人員使用了一種叫做雙層量子氣體顯微鏡的技術(shù)。這種技術(shù)可以同時(shí)對(duì)兩層光學(xué)晶格中的原子進(jìn)行高分辨率的成像，從而獲得原子在每個(gè)格點(diǎn)上的自旋和密度信息。具體來說，他們使用了約1000個(gè)40K原子，在一個(gè)二維方形光學(xué)晶格中制備了一個(gè)平衡態(tài)的費(fèi)米-哈伯德氣體。他們可以通過調(diào)節(jié)原子之間的磁場共振來改變哈伯德U，并通過調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度來改變躍遷能t，還可以通過調(diào)節(jié)激光頻率來改變溫度T。這樣，就可以在不同參數(shù)下探索費(fèi)米-哈伯德氣體中的配對(duì)行為。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究人員首先觀察了費(fèi)米-哈伯德氣體中全局自旋漲落隨著哈伯德U和溫度T的變化情況。全局自旋漲落反映了系統(tǒng)中存在多少未配對(duì)的費(fèi)米子。如果所有的費(fèi)米子都完全配對(duì)了，那么全局自旋漲落就會(huì)消失；如果有一部分費(fèi)米子沒有配對(duì)，那么全局自旋漲落就會(huì)有一個(gè)有限值。

他們發(fā)現(xiàn)，在非相互作用極限（U=0）時(shí)，全局自旋漲落的值與費(fèi)米子的密度成正比，這符合理論預(yù)期。當(dāng)他們?cè)黾庸耈時(shí)，全局自旋漲落的值逐漸減小，直到在U/t約為4時(shí)，達(dá)到一個(gè)極小值。這表明，在這個(gè)參數(shù)下，費(fèi)米子已經(jīng)完全配對(duì)了。當(dāng)他們繼續(xù)增加哈伯德U時(shí)，全局自旋漲落的值又開始增大，這是因?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的贗能隙區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，費(fèi)米子配對(duì)是非局域的，而且有一定的熱漲落。當(dāng)他們降低溫度時(shí)，全局自旋漲落的值也會(huì)減小，這是因?yàn)闇囟仍降?，配?duì)越穩(wěn)定。

我們接下來觀察了費(fèi)米-哈伯德氣體中的局域自旋相關(guān)函數(shù)。局域自旋相關(guān)函數(shù)反映了系統(tǒng)中不同距離上的自旋相關(guān)性。如果系統(tǒng)中存在非局域的配對(duì)，那么局域自旋相關(guān)函數(shù)就會(huì)有一個(gè)負(fù)值的峰，表示兩個(gè)相反自旋的費(fèi)米子傾向于聚集在一起。如果系統(tǒng)中存在電荷密度波或者自旋密度波等序參量，那么局域自旋相關(guān)函數(shù)就會(huì)有一個(gè)正值的峰，表示兩個(gè)相同自旋的費(fèi)米子傾向于聚集在一起。(www.ws46.cOm)

他們發(fā)現(xiàn)，在非相互作用極限（U=0）時(shí)，局域自旋相關(guān)函數(shù)是平坦的，表示沒有任何自旋相關(guān)性。當(dāng)他們?cè)黾庸耈時(shí)，局域自旋相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)值的峰，表示出現(xiàn)了非局域的配對(duì)。當(dāng)他們繼續(xù)增加哈伯德U時(shí)，負(fù)值峰的位置逐漸向遠(yuǎn)處移動(dòng)，表示配對(duì)長度逐漸增大。當(dāng)哈伯德U達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，負(fù)值峰消失了，表示配對(duì)被破壞了。這個(gè)臨界值與贗能隙區(qū)域的邊界相吻合。當(dāng)我們降低溫度時(shí)，負(fù)值峰變得更加明顯和尖銳，表示配對(duì)更加穩(wěn)定和緊密。

結(jié)論和展望

通過雙層量子氣體顯微鏡技術(shù)，研究人員直接觀測到了非局域的費(fèi)米子配對(duì)在吸引費(fèi)米-哈伯德氣體中的存在和特征。他們發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)的贗能隙區(qū)域中，費(fèi)米子配對(duì)具有一個(gè)介于分子長度和相干長度之間的配對(duì)長度，并且受到溫度和哈伯德U的影響。我們還發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)區(qū)域中，費(fèi)米子配對(duì)和等序參量之間存在著競爭和協(xié)作的關(guān)系。他們的實(shí)驗(yàn)為理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米系統(tǒng)中的超流性和贗能隙行為提供了新的視角和方法。

研究人員希望未來能夠進(jìn)一步探索費(fèi)米-哈伯德氣體中的超流相變和相圖，并且與其他強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米系統(tǒng)進(jìn)行比較和聯(lián)系。他們也希望能夠利用雙層量子氣體顯微鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)費(fèi)米-哈伯德氣體中的動(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的測量和控制。研究人員相信，冷原子物理是一種非常強(qiáng)大和靈活的平臺(tái)，可以模擬和研究各種復(fù)雜和有趣的物理現(xiàn)象。