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首例费米子对成像，带来室温超导新希望！
光子盒研究院
当你的笔记本电脑或智能手机发热时，这是由于能量在转换中丢失；在城市之间传输电力的电力线也是如此。事实上，大约10%的发电量在电力传输过程中损失了：这是因为携带电荷的电子是自由的，当它们在电线和输电线路中集体移动时，会与其他电子“碰撞”。所有这些碰撞都会产生摩擦、并最终产生热量。
但是，当电子结对时，它们就能超越冲突、在没有摩擦的情况下在材料中滑行。这种“超导”行为发生在一系列的材料中——尽管是在超低温下。如果这些材料能够被制成接近室温的超导，它们可以为零损耗设备铺平道路（例如无热的笔记本电脑和电话和超高效的电力线）。但首先，科学家必须了解电子是如何配对的。
现在，在原子云中配对的粒子的新快照可以为电子如何在超导材料中配对提供线索。这些快照是由麻省理工学院的物理学家拍摄的，是首次直接捕捉到费米子配对的图像。费米子是一类主要的粒子，包括电子，以及质子、中子和某些类型的原子。
在这种情况下，麻省理工学院的团队研究了钾-40原子形式的费米子，并模拟了某些超导材料中的电子行为。他们开发了一种对超冷钾-40原子云进行成像的技术（双层量子气体显微镜），这使他们能在相隔很远的距离下观察到粒子的配对。
《科学》杂志上报道的这些观察结果，可以作为电子在超导材料中如何配对的视觉蓝图；这些结果也可能有助于描述中子如何配对以形成中子星内强烈的密度和汹涌的超流体。
“费米子配对是超导和核物理学中许多现象的基础。”研究报告的作者、麻省理工学院的物理学教授Martin Zwierlein说：“但是没有人在现场看到过这种配对。因此，最终在屏幕上忠实地看到这些图像，真是令人叹为观止。”
该研究的共同作者包括Thomas Hartke、Botond Oreg、Carter Turnbaugh和Ningyuan Jia，他们都是麻省理工学院物理系、麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心和电子研究实验室的成员。
直接观察电子配对是一项不可能的任务。它们实在是太小、太快了，无法用现有的成像技术来捕捉。为了了解它们的行为，物理学家们把目光投向了类似的原子系统。
尽管电子和某些原子的大小不同，但它们的相似之处在于它们是费米子——表现出“半整数自旋”特性的粒子。当自旋相反的费米子相互作用时，它们可以配对；就像电子在超导体中那样，也像某些原子在气体云中那样。
Zwierlein的小组一直在研究钾-40原子的行为，这些原子是已知的费米子，可以被制备成两种自旋状态之一。当一个自旋的钾原子与另一个自旋的原子相互作用时，它们可以形成一对——类似于超导电子。但是在正常的室温条件下，这些原子的相互作用是模糊的、难以捕捉。
为了对它们的行为有一个科学的看法，Zwierlein和他的同事们将这些粒子作为一种由大约1000个原子组成的非常稀薄的气体进行研究，并将其置于超冷的纳米开尔文条件下，使原子的速度慢到极点。研究人员还将气体包含在一个光学晶格内，原子可以在其中“跳跃”，科学家可以将这一行为作为“地图”来确定原子的精确位置。
在他们的新研究中，研究小组对他们现有的费米子成像技术进行了改进、使费米子能够瞬间将原子冻结在原地，然后分别拍摄具有一种特定自旋的钾-40原子的快照。随后，研究人员可以将一种原子类型的图像叠加到另一种原子上，并查看这两种类型在哪里配对，以及如何配对。
Zwierlein认为能够看到这些图像绝对是令人振奋的，“要达到我们能够真正拍摄这些图像的程度，是非常困难的。这些年来，我们在实验室里一直有非常复杂的问题要解决，学生们有很强的耐力，最后，能够看到这些图像绝对是令人振奋的。”
在光学晶格中，超冷原子可用来深入了解相互作用的量子物质行为。通过费米-哈伯德模型（Fermi-Hubbard Model），可以模拟一些最普遍的物理现象，该模型与许多固态系统相关。
研究小组看到的是哈伯德(Hubbard)模型所预测的原子之间的配对行为：这是一个被广泛接受的理论，被认为是高温超导体中电子行为的关键，这些材料在相对较高（尽管仍然非常冷）的温度下表现出超导性。
迄今为止，关于电子如何在这些材料中配对的预测，已经通过这个模型进行了测试，但直到现在还没有直接观察到。
研究小组对不同的原子云进行了数千次的创建和成像，并将每个图像转化为类似于网格的数字化版本。每个网格都显示了两种类型的原子的位置（在他们的论文中被描述为红色和蓝色）。从这些图中，他们能够看到网格中的方块，其中有一个单独的红色或蓝色原子，以及红色和蓝色原子在局部配对的方块（描述为白色），以及既不包含红色也不包含蓝色原子的空方块（黑色）。
已经有个别图像显示了许多局部配对，以及红蓝原子的接近情况。通过分析几百张图像，研究小组可以表明，原子确实成对出现，有时在一个方格内紧密相连、有时则形成较松散的配对，相隔一个或几个网格间距。这种物理分离，或“非局域配对”，是由哈伯德模型预测的，但以往从未直接观察到。
研究人员还观察到，成对的集合似乎形成了一个更广泛的棋盘图案，并且这个图案在形成过程中摇摆不定，因为成对的一个伙伴冒险离开了它的方格，并瞬间扭曲了其他成对的棋盘。这种现象被称为“多角龙(polaron)”，也被预测过，但从未直接看到。
Zwierlein指出：“在这个动态场景中，粒子不断地在彼此的顶部跳跃、移动，但从未在彼此之间跳得太远。”
这些原子之间的配对行为也必须发生在超导电子中，Zwierlein说，该团队的新进展将有助于为科学家对高温超导体的理解提供信息，也许还能为这些材料如何被调谐到更高、更实用的温度提供启示。
该项研究将吸引相互作用的钾费米子原子放入光学晶格中，并使用量子显微镜对系统进行成像、测量晶格位置之间的相关性。研究表明，非局域原子对的形成，取决于引力的强度。
“如果你把我们的原子气体规范化为金属中的电子密度，我们认为这种配对行为应该远远高于室温，”Zwierlein的研究成果给了人们很大的希望和信心，实验团队认为，“这种配对现象原则上可以在高温下发生，而且没有先验的限制——为室温超导体带来了希望。”
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-07-physicists-generate-snapshots-fermion-pairs.html[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4245[3]https://mp.weixin.qq.com/s/cL33_e_eCeE1oogHKNAfuQ