Атомы заменяют электроны в системе для зондирования. Высокотемпературные сверхпроводники способны трансформировать все — от передачи электроэнергии и выработки электроэнергии до транспорта.

Атомы похожи на маленькие магниты, поэтому применение магнитной силы толкает их вокруг, здесь, влево (вверху слева). Поскольку эти атомы отталкиваются друг от друга, они не могут двигаться, если нет пустых мест (верхняя середина). Но атомные «магнитные иглы» все еще могут свободно двигаться, причем более сильные магниты (красные) распространяются влево на изображении, а более слабые магниты (синие) должны освободить место и двигаться вправо (нижний ряд). Этот так называемый спиновый транспорт разрешается атом за атомом в холодном атомном квантовом эмуляторе. Фото: Массачусетский технологический институт

Материалы, в которых электронные пары движутся без трения, что означает, что при их движении энергия не теряется, могут значительно повысить энергоэффективность электрических систем.

Понимание того, как электроны проходят через эти сложные материалы, в конечном итоге может помочь исследователям в разработке сверхпроводников, которые работают при комнатной температуре, что значительно расширит их использование.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, мало что известно о сложном взаимодействии между спином и зарядом электронов в сверхпроводящих материалах, таких как купраты, или в материалах, содержащих медь.

Теперь в статье, опубликованной сегодня в журнале Science, исследователи из Массачусетского технологического института представили новую систему, в которой ультрахолодные атомы используются в качестве модели для электронов в сверхпроводящих материалах.

Исследователи во главе с Мартином Цверляйном, профессором физики Томаса А. Франка в Массачусетском технологическом институте, использовали систему, которую они описывают как «квантовый эмулятор», для реализации модели Ферми-Хаббарда частиц, взаимодействующих внутри решетки.

Модель Ферми-Хаббарда, которая, как полагают, объясняет основу высокотемпературной сверхпроводимости, чрезвычайно проста для описания, но до сих пор оказалась невозможной для решения, по словам Цверляйна.

«Модель — это просто атомы или электроны, прыгающие по решетке, а затем, когда они находятся друг над другом на одном и том же узле решетки, они могут взаимодействовать», — говорит он. «Но даже несмотря на то, что это самая простая модель взаимодействия электронов в этих материалах, в мире нет компьютера, который мог бы ее решить».

Поэтому вместо этого исследователи создали физический эмулятор, в котором атомы выступают в качестве резервных элементов для электронов.

Чтобы построить свой квантовый эмулятор, исследователи использовали лазерные лучи, взаимодействующие друг с другом, чтобы создать кристаллическую структуру. Затем они заключили около 400 атомов в эту оптическую решетку в квадратную коробку.

По словам Цверлейна, когда они наклоняют коробку, применяя градиент магнитного поля, они могут наблюдать за движением атомов и измерять их скорость, определяя проводимость материала.

«Это замечательная платформа. Мы можем смотреть на каждый отдельный атом в отдельности, поскольку он движется, что уникально; мы не можем сделать это с электронами», — говорит он. «С электронами вы можете измерять только средние величины».

Эмулятор позволяет исследователям измерить перенос или движение спина атомов и то, как на это влияет взаимодействие между атомами в материале. Цверлейн говорит, что до сих пор измерять транспорт спина в купратах было невозможно, так как усилия были ограничены примесями в материалах и другими осложнениями.

Измеряя движение спина, исследователи смогли выяснить, чем он отличается от заряда.

Поскольку электроны несут как свой заряд, так и вращаются вместе с ним, когда они движутся через материал, движение этих двух свойств, по сути, должно быть зафиксировано вместе, говорит Цверляйн.

Тем не менее, исследования показывают, что это не так.

«Мы показываем, что спины могут распространяться гораздо медленнее, чем заряд в нашей системе», — говорит он.

Затем исследователи изучили, как сила взаимодействия между атомами влияет на то, насколько хорошо может вращаться вращение, по словам аспиранта Массачусетского технологического института Мэтью Николса, ведущего автора статьи.

«Мы обнаружили, что большие взаимодействия могут ограничивать доступные механизмы, которые позволяют спинам перемещаться в системе, так что спиновой поток значительно замедляется по мере увеличения взаимодействия между атомами», — говорит Николс.

Когда они сравнили свои экспериментальные измерения с современными теоретическими расчетами, выполненными на классическом компьютере, они обнаружили, что сильные взаимодействия, присутствующие в системе, затрудняют точные численные расчеты.

«Это продемонстрировало силу нашей системы ультрахолодных атомов для моделирования аспектов другой квантовой системы, материалов купрата, и для того, чтобы превзойти то, что можно сделать с помощью классического компьютера», — говорит Николс.

Транспортные свойства в сильно коррелированных материалах, как правило, очень трудно рассчитать с использованием классических компьютеров, и некоторые из наиболее интересных и практически значимых материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, до сих пор плохо изучены, говорит Зоран Хадзибабич, профессор физики в Кембриджском университете, который не был вовлечен в исследование.

«(Исследователи) изучают спиновый транспорт, который не только сложно рассчитать, но также экспериментально чрезвычайно трудно изучить в традиционных сильно коррелированных материалах, и таким образом, дают уникальную возможность понять различия между зарядом и спиновым переносом», — говорит Хадзибабич.

В дополнение к работе Массачусетского технологического института по переносу спинов перенос заряда был измерен группой профессора Васима Бакра в Принстонском университете, в которой в том же выпуске «Науки» выясняется, как проводимость заряда зависит от температуры.

Команда MIT надеется провести дальнейшие эксперименты с использованием квантового эмулятора. Например, поскольку система позволяет исследователям изучать движение отдельных атомов, они надеются исследовать, как движение каждого из них отличается от движения среднего, изучать текущий «шум» на атомном уровне.

«Пока мы измерили средний ток, но мы также хотели бы посмотреть на шум движения частиц; некоторые из них немного быстрее других, поэтому есть целый дистрибутив, о котором мы можем узнать», — говорит Цверляйн.

Исследователи также надеются изучить, как перенос меняется с размерностью, переходя от двумерного листа атомов к одномерной проволоке.

По материалам phys.org