चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के पान जियानवेई, याओ जिंगकैन, चेन युआओ और अन्य ने पहली बार दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाली वर्दी फर्मी गैस के आधार पर कई-शरीर युग्मन द्वारा उत्पन्न छद्म अंतराल का अवलोकन किया। यह अध्ययन पहली बार युग्मित स्यूडोगैप के अस्तित्व को स्थापित करता है, उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग तंत्र में इलेक्ट्रॉन पूर्व-युग्मन परिकल्पना के लिए समर्थन प्रदान करता है, उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग तंत्र को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाता है, और महत्वपूर्ण भौतिक समस्याओं को हल करने के लिए क्वांटम सिमुलेशन का उपयोग करने का एक उदाहरण है। 8 फरवरी को, यह परिणाम आधिकारिक अंतरराष्ट्रीय शैक्षणिक पत्रिका नेचर में "एकात्मक फर्मी गैस में छद्म-अंतराल का अवलोकन और मात्रा का ठहराव" शीर्षक के तहत प्रकाशित किया गया था।
चित्र 1: सिर पर जेड मोतियों वाली दो कार्प विपरीत स्पिन वाले फर्मियन की एक जोड़ी का प्रतीक हैं; ड्रैगन गेट सुपरफ्लुइड चरण संक्रमण और छद्म-ऊर्जा अंतराल का प्रतिनिधित्व करता है। कार्प गैन्ट्री पर कूद गया, यह दर्शाता है कि युग्मन सुपरफ्लुइड चरण संक्रमण तापमान के ऊपर होता है। यह युग्मन घटना बदले में छद्म ऊर्जा अंतराल के उद्भव की ओर ले जाती है। /ड्राइंग: चेन लेई
ऊर्जा अंतराल का उत्पन्न होना अतिचालकता की प्रतिष्ठित घटना है। पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स में, ऊर्जा अंतर सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण तापमान के नीचे मौजूद होता है। कप्रेट उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स की खोज के साथ, ऊर्जा अंतराल अभी भी सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण तापमान से ऊपर भी देखा जा सकता है। इस घटना को स्यूडोगैप कहा जाता है। स्यूडोगैप की उत्पत्ति और गुण उच्च तापमान अतिचालकता के तंत्र का उत्तर देने के लिए महत्वपूर्ण सुराग प्रदान कर सकते हैं। अकादमिक हलके आम तौर पर मानते हैं कि दो मुख्य संभावित स्यूडोगैप तंत्र हैं: एक सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण तापमान के ऊपर इलेक्ट्रॉन मल्टी-बॉडी प्री-पेयरिंग से प्राप्त होता है; दूसरा उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स में पाए जाने वाले विभिन्न क्वांटम ऑर्डर किए गए चरणों से प्राप्त होता है, जैसे कि एंटीफेरोमैग्नेटिक ऑर्डर, स्ट्राइप ऑर्डर और पेयरिंग घनत्व तरंगें। हालाँकि, क्योंकि वास्तविक उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग सामग्री प्रणाली बहुत जटिल है और तंत्र के विभिन्न संभावित स्रोत एक दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं, यह स्पष्ट नहीं है कि कौन सा तंत्र काम कर रहा है।
मजबूत अंतःक्रिया (एकात्मक) सीमा में अल्ट्राकोल्ड फर्मी गैस अपनी शुद्धता और नियंत्रणीयता के कारण स्यूडोगैप्स के तंत्र के अध्ययन के लिए एक आदर्श क्वांटम सिमुलेशन मंच प्रदान करती है। एक ओर, फर्मी परमाणुओं के बीच मजबूत आकर्षक अंतःक्रिया कई-शरीर युग्मन के लिए अनुकूल परिस्थितियाँ बनाती है; दूसरी ओर, सिस्टम कई क्वांटम-आदेशित चरणों के बीच प्रतिस्पर्धा से बच सकता है। इसलिए, क्या इस प्रणाली में छद्म अंतराल देखा जा सकता है, यह कई-निकाय युग्मन तंत्र का निर्णायक सत्यापन बन जाएगा। हालाँकि, इस वैज्ञानिक लक्ष्य की प्राप्ति के लिए दो प्रमुख तकनीकी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, यही कारण है कि पिछले काम में सफलता नहीं मिली है: सबसे पहले, उच्च गुणवत्ता, समान-घनत्व एकात्मक फर्मी गैस तैयार करना आवश्यक है; दूसरा, अल्ट्राकोल्ड परमाणु प्रणालियों में कोण-संकल्पित फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी के समान माप तकनीक विकसित करना आवश्यक है।
वर्षों की कड़ी मेहनत के बाद, अनुसंधान टीम ने एक अल्ट्राकोल्ड लिथियम-डिस्प्रोसियम परमाणु क्वांटम सिमुलेशन प्लेटफॉर्म की स्थापना की और वर्दी फर्मी गैस की दुनिया की अग्रणी तैयारी हासिल की। अनुसंधान दल ने बड़े चुंबकीय क्षेत्रों के लिए स्थिरीकरण तकनीक भी विकसित की है। लगभग 700जी के चुंबकीय क्षेत्र के तहत, इसका अल्पकालिक उतार-चढ़ाव 25μजी से बेहतर है, और सापेक्ष चुंबकीय क्षेत्र स्थिरता 10-8 के करीब है, जो पिछले अंतरराष्ट्रीय सर्वोत्तम परिणामों की तुलना में अधिक परिमाण के एक क्रम से अधिक है। इस अति-स्थिर चुंबकीय क्षेत्र के तहत, अनुसंधान टीम माइक्रोवेव स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक को सफलतापूर्वक लागू करने में सक्षम थी जो अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की गति को हल कर सकती है। इस आधार पर, शोध दल ने विभिन्न तापमानों पर एकात्मक फर्मी गैस के एकल-कण वर्णक्रमीय कार्य को व्यवस्थित रूप से मापा और एक स्यूडोगैप के अस्तित्व को सफलतापूर्वक देखा, जिसने इलेक्ट्रॉन पूर्व-युग्मन परिकल्पना के लिए समर्थन प्रदान किया (जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है)।
चित्र 2. एकल कण स्पेक्ट्रम का योजनाबद्ध। जुड़ी हुई और स्वतंत्र गेंदें क्रमशः कूपर जोड़े और एकल कणों का प्रतिनिधित्व करती हैं, और सतह का अंतर छद्म ऊर्जा अंतर है। /ड्राइंग: चेन लेई
यह शोध कार्य न केवल दृढ़ता से सहसंबद्ध मल्टी-बॉडी सिस्टम के अध्ययन को आगे बढ़ाता है, बल्कि मल्टी-बॉडी सिद्धांत में सुधार के लिए महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक आधार भी प्रदान करता है। इसके अलावा, इस कार्य में विकसित अल्ट्राकोल्ड परमाणु क्वांटम नियंत्रण तकनीक ने अन्य महत्वपूर्ण संघनित पदार्थ भौतिकी घटनाओं, जैसे एकल-बैंड सुपरफ्लुइडिटी, स्ट्राइप चरण, एफएफएलओ सुपरफ्लुइडिटी, आदि के अध्ययन के अगले चरण के लिए एक तकनीकी नींव रखी। नेचर पत्रिका के समीक्षकों ने सर्वसम्मति से सहमति व्यक्त की कि "यह कार्य एक महत्वपूर्ण लंबे समय से चली आ रही भौतिक समस्या को हल करता है और क्वांटम सिमुलेशन अनुसंधान में एक मील का पत्थर है।"
चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय की प्रासंगिक शोध टीमों ने हाल के वर्षों में अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं पर आधारित क्वांटम सिमुलेशन में उपयोगी काम किया है, और प्रकृति और विज्ञान में 10 उच्च गुणवत्ता वाले पेपर प्रकाशित किए हैं। पिछली प्रौद्योगिकियों के संचय के आधार पर, अल्ट्राकोल्ड परमाणु क्वांटम सिमुलेशन ने उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग तंत्र सहित जटिल भौतिक प्रणालियों के नियमों को प्रकट करने में महत्वपूर्ण प्रभावशीलता दिखाना शुरू कर दिया है, जो निकट भविष्य में व्यावहारिक समस्याओं को हल करने में सक्षम एक समर्पित क्वांटम सिम्युलेटर के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है।
स्विनबर्न प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय से हू हुई और चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय से चेन क़िजिन इस काम में सैद्धांतिक सहयोगी हैं। इस शोध को विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय, चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन, चीनी विज्ञान अकादमी, अनहुई प्रांत, शंघाई नगर पालिका और न्यू कॉर्नरस्टोन साइंस फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
पेपर लिंक: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06964-y
(स्कूल ऑफ फिजिक्स, हेफ़ेई नेशनल रिसर्च सेंटर फॉर माइक्रोस्केल फिजिकल साइंसेज, इंस्टीट्यूट ऑफ क्वांटम इंफॉर्मेशन एंड क्वांटम टेक्नोलॉजी इनोवेशन, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज, रिसर्च डिपार्टमेंट)