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。
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)體對電流的阻力為零，節(jié)省了大量能源。這是可能的，因?yàn)槌蓪Φ碾娮樱駝t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)配對電流載流子而不是單粒子電流載流子的配對隧穿傳輸。
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)?！盀榱死斫夥瞧椒驳膫鬏?，我們需要區(qū)分單粒子隧穿或配對隧穿在強(qiáng)相互作用氣體中占主導(dǎo)地位，”田島說。“單粒子隧穿和對隧穿的識別對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，形成庫珀對并導(dǎo)致對電流。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，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電流。單粒子電流的 Fano 因子值為 1，對電流的 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，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交叉中成對隧道傳輸?shù)奶结槪?em>PNAS Nexus（2023）。DOI： 10.1093/pnasnexus/pgad045
期刊信息：PNAS Nexus
