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量子交叉_如何區(qū)分單粒子電流和成對(duì)電流

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-03-14 15:52:49    作者:百里晨澤    瀏覽次數(shù):90
導(dǎo)讀

縱軸是溫度除以費(fèi)米溫度,橫軸是吸引人的相互作用強(qiáng)度。紅色實(shí)心曲線表示超流體臨界溫度。藍(lán)色虛線表示正常和偽間隙階段之間的特征溫度。綠色虛線表示偽間隙和結(jié)合二聚體相之間的特征溫度。(b) 正常相、偽間隙相和

縱軸是溫度除以費(fèi)米溫度,橫軸是吸引人的相互作用強(qiáng)度。紅色實(shí)心曲線表示超流體臨界溫度。藍(lán)色虛線表示正常和偽間隙階段之間的特征溫度。綠色虛線表示偽間隙和結(jié)合二聚體相之間的特征溫度。(b) 正常相、偽間隙相和結(jié)合二聚體相的隧道傳輸過程示意圖。Fano因子,即電流噪聲和電流之間的比率,有助于我們區(qū)分配對(duì)電流和單粒子電流。來源:田島等2023年

如果將低密度原子氣體冷卻到超低溫(-273°C),您將獲得一種新的物質(zhì)狀態(tài),稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)。BEC具有強(qiáng)耦合的雙原子分子,其行為類似于量子力學(xué)的集體波。如果你降低它們之間的配對(duì)強(qiáng)度——例如,通過增加磁場——原子根據(jù)巴丁-庫珀-施里弗(BCS)理論(獲得諾貝爾獎(jiǎng))形成庫珀對(duì)。

該過程稱為BCS-BEC交叉。該理論構(gòu)成了超流體和超導(dǎo)體的基礎(chǔ),這些材料不顯示粘度或電阻。來自東京大學(xué)的Hiroyuki Tajima和他的團(tuán)隊(duì)提出了一種區(qū)分BCS-BEC交叉中當(dāng)前運(yùn)營商的新方法。關(guān)鍵在于電流的波動(dòng)。

電子設(shè)備顯示圖像是由于電子在導(dǎo)體中移動(dòng) - 也稱為單粒子電流。由于導(dǎo)體中電子碰撞引起的電阻,您的設(shè)備可能會(huì)發(fā)熱,這些電阻會(huì)將電能作為熱量消散。但超導(dǎo)體對(duì)電流的阻力為零,節(jié)省了大量能源。這是可能的,因?yàn)槌蓪?duì)的電子,否則它們會(huì)由于負(fù)電荷而相互排斥。換句話說,超導(dǎo)體中的電流主要是由于涉及移動(dòng)配對(duì)電流載流子而不是單粒子電流載流子的配對(duì)隧穿傳輸。

田島和他的團(tuán)隊(duì)使用超冷費(fèi)米原子氣體研究了量子傳輸現(xiàn)象。它是一種人造量子物質(zhì),模仿具有可調(diào)相互作用強(qiáng)度的電子或費(fèi)米子系統(tǒng)。“為了理解非平凡的傳輸,我們需要區(qū)分單粒子隧穿或配對(duì)隧穿在強(qiáng)相互作用氣體中占主導(dǎo)地位,”田島說。“單粒子隧穿和對(duì)隧穿的識(shí)別對(duì)于理解量子傳輸至關(guān)重要,不僅在冷原子系統(tǒng)中,而且在高溫超導(dǎo)體中。

由于研究人員可以控制粒子之間的相互作用,原子氣體使他們能夠系統(tǒng)地研究量子多體物理學(xué)。當(dāng)原子之間的相互作用強(qiáng)度較弱時(shí),氣體表現(xiàn)出正常相。在這個(gè)階段,它的行為就像一個(gè)相對(duì)好的導(dǎo)體,例如顯示電阻的金屬。因此,人們可以預(yù)期在化學(xué)勢(shì)偏置(電壓)下出現(xiàn)單粒子電流(電子隧穿傳輸)。

如果增加相互作用強(qiáng)度,氣體將通過中間的偽間隙相進(jìn)入結(jié)合的二聚體相。偽間隙階段是BCS-BEC交叉在低溫下發(fā)生的地方。在給定相互作用強(qiáng)度的臨界溫度下,原子氣體變成沒有粘度的超流體。低于相變溫度,形成庫珀對(duì)并導(dǎo)致對(duì)電流。在偽間隙階段,由于吸引的相互作用而形成非超流體庫珀對(duì),這導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)異常電流。但在結(jié)合二聚體階段,對(duì)電流占主導(dǎo)地位。田島的團(tuán)隊(duì)找到了一種方法,通過測量可觀察的宏觀特性來區(qū)分每個(gè)階段的電流載流子。

研究小組表明,量子化為Fano因子的電流波動(dòng)可以區(qū)分強(qiáng)相互作用費(fèi)米氣體隧道傳輸中的單粒子電流和成對(duì)電流。單粒子電流的 Fano 因子值為 1,對(duì)電流的 Fano 因子值為 2。在未來,他們的方法可以應(yīng)用于其他非常規(guī)超導(dǎo)體和在冷原子中實(shí)現(xiàn)的不同多體現(xiàn)象。

超冷費(fèi)米氣體中的Fano因子(電流噪聲與電流之比)具有可控的吸引力相互作用強(qiáng)度。來源:田島等2023年

“我們的結(jié)果表明,即使在強(qiáng)相關(guān)的量子物質(zhì)中,也可以從宏觀可觀測物(即電流和噪聲)中識(shí)別微觀傳輸載流子,”Tajima補(bǔ)充道。

“這種合作完全是通過在線討論進(jìn)行的,這令人驚訝地使我們能夠交流跨學(xué)科知識(shí),從而產(chǎn)生了這項(xiàng)研究。

該研究發(fā)表在PNAS Nexus雜志上。

更多信息:田島博之等人,非平衡噪聲作為BCS-BEC交叉中成對(duì)隧道傳輸?shù)奶结槪?em>PNAS Nexus(2023)。DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad045

期刊信息:PNAS Nexus

 
(文/百里晨澤)
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