Впервые видно, как отдельные атомы отдаляются друг от друга или собираются в пары.

Однако, если эти атомы опускаются до ультрахолодных температур, они замедляются до ползания, и ученые могут начать изучать, как они могут образовывать экзотические состояния материи, такие как сверхтекучие жидкости, сверхпроводники и квантовые магниты.Физики из Массачусетского технологического института охладили газ из атомов калия до нескольких нанокельвинов — всего на волосок выше абсолютного нуля — и заключили атомы в двумерный лист оптической решетки, созданной перекрещивающимися лазерами. Используя микроскоп высокого разрешения, исследователи сделали изображения охлажденных атомов, находящихся в решетке.

Изучая корреляции между положениями атомов на сотнях таких изображений, команда наблюдала, как отдельные атомы взаимодействуют довольно своеобразным образом в зависимости от их положения в решетке. Некоторые атомы проявляли «антисоциальное» поведение и держались друг от друга подальше, в то время как некоторые сгруппировались вместе с чередующейся магнитной ориентацией. Другие, казалось, совмещались друг с другом, создавая пары атомов рядом с пустыми пространствами или дырами.

Команда считает, что эти пространственные корреляции могут пролить свет на происхождение сверхпроводящего поведения. Сверхпроводники — замечательные материалы, в которых электроны объединяются в пары и перемещаются без трения, а это означает, что при этом не теряется энергия. Если сверхпроводники могут быть спроектированы для существования при комнатной температуре, они могут положить начало совершенно новой, невероятно эффективной эре для всего, что зависит от электроэнергии.Мартин Цвиерлейн, профессор физики и главный исследователь Центра ультрахолодных атомов NSF Массачусетского технологического института и его исследовательской лаборатории электроники, говорит, что результаты его команды и экспериментальная установка могут помочь ученым определить идеальные условия для создания сверхпроводимости.

«Изучая эту атомную модель, мы можем понять, что на самом деле происходит в этих сверхпроводниках, и что нужно делать, чтобы создавать сверхпроводники с более высокой температурой, которая, надеюсь, приближается к комнатной температуре», — говорит Цвиерлейн.Результаты Цвиерляйна и его коллег опубликованы в выпуске журнала Science за 16 сентября. Соавторы включают экспериментаторов из Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и двух теоретических групп из Университета Сан-Хосе, Университета штата Огайо, Университета Рио-де-Жанейро и Университета штата Пенсильвания.

«Атомы как заменители электронов»Сегодня невозможно смоделировать поведение высокотемпературных сверхпроводников даже с помощью самых мощных компьютеров в мире, поскольку взаимодействия между электронами очень сильны. Вместо этого Цвиерлейн и его команда стремились спроектировать «квантовый симулятор», используя атомы в газе в качестве заменителей электронов в сверхпроводящем твердом теле.

Группа основывала свое обоснование на нескольких исторических аргументах: во-первых, в 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал то, что сейчас называется принципом исключения Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, таком как спин или положение. — в то же время. Паули также предположил, что электроны поддерживают определенную сферу личного пространства, известную как «дыра Паули».Его теория оказалась для объяснения периодической таблицы элементов: различные конфигурации электронов дают начало определенным элементам, что делает атомы углерода, например, отличными от атомов водорода.

Итальянский физик Энрико Ферми вскоре понял, что тот же принцип может быть применен не только к электронам, но и к атомам в газе: степень, в которой атомы предпочитают держать себя в секрете, может определять свойства газа, такие как сжимаемость.«Он также понял, что эти газы при низких температурах будут вести себя особым образом», — говорит Цвиерляйн.Затем британский физик Джон Хаббард включил принцип Паули в теорию, которая теперь известна как модель Ферми-Хаббарда, которая представляет собой простейшую модель взаимодействующих атомов, прыгающих по решетке. Сегодня считается, что эта модель объясняет основы сверхпроводимости.

И хотя теоретики смогли использовать эту модель для расчета поведения сверхпроводящих электронов, они смогли сделать это только в ситуациях, когда электроны слабо взаимодействуют друг с другом.«Это большая причина, по которой мы не понимаем высокотемпературные сверхпроводники, в которых электроны очень сильно взаимодействуют», — говорит Цвиерляйн. «В мире нет классического компьютера, который мог бы вычислить, что произойдет при очень низких температурах с взаимодействующими [электронами].

Их пространственные корреляции также никогда не наблюдались на месте, потому что ни у кого нет микроскопа, чтобы рассмотреть каждый отдельный электрон».Выделение личного пространстваКоманда Цвиерлейна стремилась разработать эксперимент по реализации модели Ферми-Хаббарда с атомами в надежде увидеть поведение ультрахолодных атомов, аналогичное поведению электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.Группа ранее разработала экспериментальный протокол, чтобы сначала охладить газ из атомов почти до абсолютного нуля, а затем захватить их в двумерной плоскости решетки, созданной лазером.

При таких ультрахолодных температурах атомы замедлились настолько, что исследователи впервые смогли запечатлеть их на изображениях, поскольку они взаимодействовали через решетку.На краях решетки, где газ был более разреженным, исследователи наблюдали, как атомы образуют дыры Паули, сохраняя определенное количество личного пространства внутри решетки.«Они вырезают для себя немного места, где вряд ли можно найти второго парня в этом пространстве», — говорит Цвиерляйн.Там, где газ был более сжат, команда обнаружила кое-что неожиданное: атомы были более склонны к наличию близких соседей и на самом деле были очень плотно сгруппированы.

Эти атомы имели переменную магнитную ориентацию.«Это прекрасные антиферромагнитные корреляции с шахматным узором — вверх, вниз, вверх, вниз», — описывает Цвиерляйн.В то же время было обнаружено, что эти атомы часто прыгают друг на друга, создавая пару атомов рядом с пустым квадратом решетки.

Это, по словам Цвиерлейн, напоминает механизм, предложенный для высокотемпературной сверхпроводимости, в котором пары электронов, резонирующие между соседними узлами решетки, могут проходить сквозь материал без трения, если есть ровно необходимое количество пустого пространства, чтобы пропустить их.В конечном итоге, по его словам, эксперименты группы с газами могут помочь ученым определить идеальные условия для возникновения сверхпроводимости в твердых телах.

Цвиерляйн объясняет: «Для нас эти эффекты возникают в нанокельвинах, потому что мы работаем с разбавленными атомарными газами. Если у вас есть плотный кусок материи, те же эффекты могут иметь место при комнатной температуре».В настоящее время команде удалось достичь ультрахолодных температур в газах, эквивалентных сотням кельвинов в твердых телах. По словам Цвиерляйн, чтобы вызвать сверхпроводимость, группе придется охладить газы еще примерно в пять раз.

«Мы еще не разыграли все свои трюки, поэтому думаем, что можем похолодеть», — говорит он.Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС, Управлением армейских исследований и Фондом Дэвида и Люсиль Паккард.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *