フェルミオンの相互作用を顕微鏡レベルで観測(The waltz of fermions under the microscope)

2026-04-15 フランス国立科学研究センター(CNRS)

フランス国立科学研究センター(CNRS)の研究チームは、フェルミオンの相互作用を詳細に観測する新手法を開発した。対象は極低温で制御された量子気体で、粒子同士が「ワルツ」のように対になって振る舞う様子を顕微鏡レベルで捉えた。これにより、従来理論で予測されていた相関運動やペア形成の実態を直接観測することに成功した。特に、フェルミ粒子が強い相互作用下でどのように集団的な量子状態を形成するかを明らかにし、超伝導などの理解に重要な知見を提供する。この成果は、量子多体系の微視的理解を進めるとともに、新しい量子材料や量子技術の開発にも寄与すると期待される。

フェルミオンの相互作用を顕微鏡レベルで観測(The waltz of fermions under the microscope)
© Tim de Jongh / Laboratoire Kastler Brossel. Adapted from Daix et al., PRL (à paraître en Mars 2026).

<関連情報>

強相互作用フェルミ気体における空間電荷およびスピン相関の観測 Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly Interacting Fermi Gas

Cyprien Daix, Maxime Dixmerias, Yuan-Yao He, Joris Verstraten, Tim de Jongh, Bruno Peaudecerf, Shiwei Zhang, and Tarik Yefsah
Physical Review Letters Published: 15 April, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/2t2k-3ftx

Abstract

In this Letter, we explore two-dimensional attractive Fermi gases at the microscopic level by probing spatial charge and spin correlations in situ. Using atom-resolved continuum quantum gas microscopy, we directly observe fermion pairing and study the evolution of two- and three-point correlation functions as interspin attraction is increased. The precision of our measurement allows us to reveal nonlocal anticorrelations in the pair correlation function, fundamentally forbidden by the mean-field result based on BCS theory but whose existence we confirm in exact auxiliary-field quantum Monte Carlo calculations. We demonstrate that the BCS prediction is critically deficient not only in the superfluid crossover regime but also deep in the weakly attractive side. Guided by our measurements, we find a remarkable relation between two- and three-point correlations that establishes the dominant role of pair correlations. Finally, leveraging local single-pair losses, we independently characterize the short-range behavior of pair correlations, via the measurement of Tan’s contact, and find excellent agreement with numerical predictions. Our measurements provide a novel microscopic view into strongly correlated two-dimensional Fermi gases in the continuum.

1701物理及び化学
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