image: 混合维度中的费米原子在 (a) 实空间和 (b) 动量空间中的分布。自旋向上的原子位于一维光晶格中，其波函数如蓝色曲线所示，而自旋向下的原子位于三维自由空间，具有平面波解（红色直线）。动量空间中，二者分别占据一个费米圆盘和费米球。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
费米原子气体同超导体具有相似性，是研究高温超导物理的理想模型，包括研究超导配对机理、反常赝能隙现象等高温超导领域的核心问题，因此费米原子气体的研究具有重要意义。
一项新的研究提出，利用混合维度并通过调节原子间配对的相互作用强度，可以在二分量费米原子气体中实现超高的约化超流转变温度，Tc/TF ~ 1。这一工作发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版2020年第2期，由浙江大学及量子信息和量子物理协同创新中心的陈启瑾教授担任通讯作者，以及来自浙江大学、中山大学和浙江工业大学的研究人员共同完成。文章指出，通过增大混合维度中光晶格的晶格常数，可以获得高于任何已知系统的超高的约化超流转变温度Tc/TF。
超导电性自从1911年被发现以来，一直是物理学研究的重要领域之一，不仅其本身呈现很多重要的科学问题，更具有重要的工业应用前景。追求更高的超导转变温度Tc甚至实现室温超导一直是科学家的长期目标。Tc也从最初金属超导体的几K提高到铜氧化物高温超导体的95 K（常压下）和164 K（高压下汞系铜氧化物），甚至203 K（90 GPa高压下的H2S）。然而理论上更重要的参量是约化转变温度Tc/TF。这里电子费米温度TF代表电子的平均动能。对于上述及其它各种超导体，约化转变温度通常不高于0.05。 近年来，随着超冷费米原子气体中超流的实现，对于强配对的玻色-爱因斯坦凝聚相(BEC)，在三维均匀体系和三维谐振子势阱中的约化超流转变温度可分别达到0.218和0.518。
作者发现利用混合维度并通过改变晶格常数来调节费米能，可以调节转变温度，如图1所示。费米子通过形成具有玻色统计行为的费米子对从而在低温下呈现超流性。这里配对的两个分量分布处于三维自由空间（称作自旋向下）和很深的一维光晶格中。光格常数d很大，以致于自旋向上的原子在动量空间形成了一个很薄的费米圆盘，其化学势随d增大而增大。当配对相互作用很强时，另一分量的费米球会形变成相同的费米圆盘，从而推高Tc。如图2所示，约化Tc/TF随d近乎线性增加，当kFd = 55时达到Tc/TF ≈1，高于任何已知系统。
冷原子系统被广泛用于量子模拟和量子工程研究。其中一个重要目标是实现对高温超导体的模拟并帮助求解高温超导机制。正确理解这一机制对于寻找和设计更高温超导体至关重要。该项研究率先为设计更高Tc的超流和超导材料提供了新方案，具有重要的科学意义。
该研究得到了国家自然科学基金 (Grant No. 11274267, 11774309)，国家重大基础研究计划 (Grant No. 2012CB927404)和浙江省自然科学基金 (Grant No. LZ13A040001)的资助。
作者简介： 陈启瑾，现任中国科学技术大学教授，教育部长江学者，2000年获芝加哥大学博士学位。2000-2008年在美国从事凝聚态理论研究。2008年至今任浙江大学教授。主要研究领域为高温超导理论和冷原子物理，取得了一系列具有国际影响的重要成果。论文先后被SCI总引用超过2500次。 张雷锋，2019年获浙江大学理学博士学位，主要研究领域为超冷费米原子气体中的理论问题，包括BCS-BEC过渡理论、非常规体系中的新奇超流动性及配对现象等新物理。
更多详情请阅原文： Leifeng Zhang, Jibiao Wang, Yi Yu, and Qijin Chen, Ultra high temperature superfluidity in ultracold atomic Fermi gases with mixed dimensionality, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 227421 (2020), https://doi.org/10.1007/s11433-019-9452-y
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