量子交叉：如何区分单粒子电流和成对电流

如果将低密度原子气体冷却到超低温(-273°C)，您将获得一种新的物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。BEC具有强耦合的双原子分子，其行为类似于量子力学的集体波。如果你降低它们之间的配对强度——例如，通过增加磁场——原子根据巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论(获得诺贝尔奖)形成库珀对。

该过程称为BCS-BEC交叉。该理论构成了超流体和超导体的基础，这些材料不显示粘度或电阻。来自东京大学的Hiroyuki Tajima和他的团队提出了一种区分BCS-BEC交叉中当前运营商的新方法。关键在于电流的波动。

电子设备显示图像是由于电子在导体中移动 - 也称为单粒子电流。由于导体中电子碰撞引起的电阻，您的设备可能会发热，这些电阻会将电能作为热量消散。但超导体对电流的阻力为零，节省了大量能源。这是可能的，因为成对的电子，否则它们会由于负电荷而相互排斥。换句话说，超导体中的电流主要是由于涉及移动配对电流载流子而不是单粒子电流载流子的配对隧穿传输。

田岛和他的团队使用超冷费米原子气体研究了量子传输现象。它是一种人造量子物质，模仿具有可调相互作用强度的电子或费米子系统。“为了理解非平凡的传输，我们需要区分单粒子隧穿或配对隧穿在强相互作用气体中占主导地位，”田岛说。“单粒子隧穿和对隧穿的识别对于理解量子传输至关重要，不仅在冷原子系统中，而且在高温超导体中。

由于研究人员可以控制粒子之间的相互作用，原子气体使他们能够系统地研究量子多体物理学。当原子之间的相互作用强度较弱时，气体表现出正常相。在这个阶段，它的行为就像一个相对好的导体，例如显示电阻的金属。因此，人们可以预期在化学势偏置(电压)下出现单粒子电流(电子隧穿传输)。

如果增加相互作用强度，气体将通过中间的伪间隙相进入结合的二聚体相。伪间隙阶段是BCS-BEC交叉在低温下发生的地方。在给定相互作用强度的临界温度下，原子气体变成没有粘度的超流体。低于相变温度，形成库珀对并导致对电流。在伪间隙阶段，由于吸引的相互作用而形成非超流体库珀对，这导致该区域出现异常电流。但在结合二聚体阶段，对电流占主导地位。田岛的团队找到了一种方法，通过测量可观察的宏观特性来区分每个阶段的电流载流子。

研究小组表明，量子化为Fano因子的电流波动可以区分强相互作用费米气体隧道传输中的单粒子电流和成对电流。单粒子电流的 Fano 因子值为 1，对电流的 Fano 因子值为 2。在未来，他们的方法可以应用于其他非常规超导体和在冷原子中实现的不同多体现象。

“我们的结果表明，即使在强相关的量子物质中，也可以从宏观可观测物(即电流和噪声)中识别微观传输载流子，”Tajima补充道。

“这种合作完全是通过在线讨论进行的，这令人惊讶地使我们能够交流跨学科知识，从而产生了这项研究。