縱軸是溫度除以費米溫度，橫軸是吸引人的相互作用強度。紅色實心曲線表示超流體臨界溫度。藍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合二聚體相之間的特征溫度。（b） 正常相、偽間隙相和結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狀態(tài)，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。BEC具有強耦合的雙原子分子，其行為類似于量子力學的集體波。如果你降低它們之間的配對強度——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）形成庫珀對。

該過程稱為BCS-BEC交叉。該理論構成了超流體和超導體的基礎，這些材料不顯示粘度或電阻。來自東京大學的Hiroyuki Tajima和他的團隊提出了一種區(qū)分BCS-BEC交叉中當前運營商的新方法。關鍵在于電流的波動。

電子設備顯示圖像是由于電子在導體中移動 - 也稱為單粒子電流。由于導體中電子碰撞引起的電阻，您的設備可能會發(fā)熱，這些電阻會將電能作為熱量消散。但超導體對電流的阻力為零，節(jié)省了大量能源。這是可能的，因為成對的電子，否則它們會由于負電荷而相互排斥。換句話說，超導體中的電流主要是由于涉及移動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。

田島和他的團隊使用超冷費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，模仿具有可調相互作用強度的電子或費米子系統(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隧穿在強相互作用氣體中占主導地位，”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重要，不僅在冷原子系統(tǒng)中，而且在高溫超導體中。

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。當原子之間的相互作用強度較弱時，氣體表現(xiàn)出正常相。在這個階段，它的行為就像一個相對好的導體，例如顯示電阻的金屬。因此，人們可以預期在化學勢偏置（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度，氣體將通過中間的偽間隙相進入結合的二聚體相。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，這導致該區(qū)域出現(xiàn)異常電流。但在結合二聚體階段，對電流占主導地位。田島的團隊找到了一種方法，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因子的電流波動可以區(qū)分強相互作用費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，他們的方法可以應用于其他非常規(guī)超導體和在冷原子中實現(xiàn)的不同多體現(xiàn)象。

超冷費米氣體中的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度。來源：田島等2023年

“我們的結果表明，即使在強相關的量子物質中，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補充道。

“這種合作完全是通過在線討論進行的，這令人驚訝地使我們能夠交流跨學科知識，從而產生了這項研究。

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