Если, однако, эти атомы погружены к ультранизким температурам, они замедляются к ползанию, и ученые могут начать учиться, как они могут сформировать экзотические состояния вещества, такие как супержидкости, сверхпроводники и квантовые магниты.Физики в MIT теперь охладили газ атомов калия к нескольким nanokelvins – просто волосок выше абсолютного нуля – и заманили атомы в ловушку в двумерном листе оптической решетки, созданной, перекрестив лазеры. Используя микроскоп с высоким разрешением, исследователи взяли изображения охлажденных атомов, проживающих в решетке.Смотря на корреляции между положениями атомов по сотням таких изображений, команда наблюдала отдельные атомы, взаимодействующие некоторыми довольно специфическими способами, на основе их положения в решетке.
Некоторые атомы показали «антиобщественное» поведение и держались подальше друг от друга, в то время как некоторые связали вместе с чередованием магнитных ориентаций. Другие, казалось, осуществляли контрейлерные перевозки друг на друге, создавая пары атомов, следующих за пустыми местами или отверстиями.
Команда полагает, что эти пространственные корреляции могут пролить свет на происхождение поведения сверхпроводимости. Сверхпроводники – замечательные материалы, в которых электроны разделяют на пары и едут без трения, означая, что никакая энергия не потеряна в поездке. Если сверхпроводники могут быть разработаны, чтобы существовать при комнатной температуре, они могли бы установить совершенно новую, невероятно эффективную эру для чего-либо, что полагается на электроэнергию.
Мартин Цвирлейн, преподаватель физики и научный руководитель в Центре NSF MIT Ультрахолодных Атомов и в его Научно-исследовательской лаборатории Электроники, говорит, что результаты его команды и экспериментальная установка могут помочь ученым определить идеальные условия для стимулирования сверхпроводимости.«Узнавая из этой атомной модели, мы можем понять то, что действительно продолжается в этих сверхпроводниках, и что нужно сделать, чтобы сделать более высоко-температурные сверхпроводники, приблизившись, надо надеяться, к комнатной температуре», говорит Цвирлейн.
Zwierlein и результаты его коллег появляются в выпуске 16 сентября журнала Science. Среди соавторов экспериментаторы из Центра MIT-Гарварда Ультрахолодных Атомов, Научно-исследовательской лаборатории MIT Электроники и двух групп теории из Университета Сан-Хосе, Университета штата Огайо, Университета Рио-де-Жанейро и Университета Государственного университета Пенсильвании.«Атомы как заместители для электронов»Сегодня, невозможно смоделировать поведение высоко? температурные сверхпроводники, даже используя самые мощные компьютеры в мире, поскольку взаимодействия между электронами очень сильны.
Zwierlein и его команда стремились вместо этого проектировать «квантовый симулятор», используя атомы в газе в качестве заместителей для электронов в теле сверхпроводимости.Группа основывала свое объяснение на нескольких исторических цепях рассуждений: Во-первых, в 1925 австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал то, что теперь называют принципом исключения Паули, который указывает, что никакие два электрона не могут занять то же самое квантовое состояние – такое как вращение или положение – в то же время. Паули также постулировал, что электроны поддерживают определенную сферу личного пространства, известного как «отверстие Паули».
Его теория, оказалось, объяснила периодическую таблицу элементов: Различные конфигурации электронов дают начало определенным элементам, делая атомы углерода, например, отличными от водородных атомов.Итальянский физик Энрико Ферми скоро понял, что этот тот же самый принцип мог быть применен не только к электронам, но также и к атомам в газе: степень, до которой атомам нравится придерживаться себя, может определить свойства, такие как сжимаемость, газа.
«Он также понял, что эти газы при низких температурах будут вести себя специфическими способами», говорит Цвирлейн.Британский физик Джон Хаббард тогда включил принцип Паули в теорию, которая теперь известна как модель Хаббарда Ферми, которая является самой простой моделью взаимодействующих атомов, прыгающих через решетку. Сегодня, модель, как думают, объясняет основание для сверхпроводимости. И в то время как теоретики были в состоянии использовать модель, чтобы вычислить поведение электронов сверхпроводимости, они только были в состоянии сделать так в ситуациях, где электроны взаимодействуют слабо друг с другом.
«Это – большая причина, почему мы не понимаем высокотемпературных сверхпроводников, где электроны очень сильно взаимодействуют», говорит Цвирлейн. «Нет никакого классического компьютера в мире, который может вычислить то, что произойдет при очень низких температурах со взаимодействующим [электроны]. Их пространственные корреляции также никогда не наблюдались на месте, потому что ни у кого нет микроскопа, чтобы посмотреть на каждый электрон».
Вырезание личного пространстваКоманда Цвирлейна стремилась проектировать эксперимент, чтобы понять модель Хаббарда Ферми с атомами, в надежде на наблюдение поведения ультрахолодных атомов, аналогичных тому из электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.Группа ранее проектировала экспериментальный протокол, чтобы сначала охладить газ атомов к близкому абсолютному нулю, затем заманивает их в ловушку в двухмерной плоскости произведенной лазером решетки. При таких ультрахолодных температурах атомы замедлились достаточно для исследователей, чтобы захватить их по изображениям впервые, когда они взаимодействовали через решетку.
На краях решетки, где газ был больше разведенным, исследователи наблюдали атомы, формирующие отверстия Паули, поддерживая определенное количество личного пространства в решетке.«Они вырезают немного пространства для себя, где оно очень вряд ли найдет второго парня в том пространстве», говорит Цвирлейн.
Где газ был более сжатым, команда наблюдала что-то неожиданное: Атомы более поддавались наличию близких соседей и были на самом деле очень плотно связаны. Эти атомы показали переменные магнитные ориентации.«Это красивые, антиферромагнитные корреляции, с образцом шахматной доски – вниз, вниз», описывает Цвирлейн.В то же время эти атомы, как находили, часто прыгали друг сверху друга, создавая пару атомов рядом с пустым квадратом решетки.
Это, Цвирлейн говорит, напоминает о механизме, предложенном для высокотемпературной сверхпроводимости, в которой электронные пары, резонирующие между смежными местами в решетке, могут пронестись через материал без трения, если есть только правильная сумма пустого места, чтобы пропустить их.В конечном счете он говорит, что эксперименты команды в газах могут помочь ученым определить идеальные условия для сверхпроводимости, чтобы возникнуть в твердых частицах.
Цвирлейн объясняет: «Для нас эти эффекты происходят в nanokelvin, потому что мы работаем с разведенными атомными газами. Если у Вас есть плотная часть вопроса, эти те же самые эффекты могут произойти при комнатной температуре».
В настоящее время команда была в состоянии достигнуть ультранизких температур в газах, которые эквивалентны сотням kelvins в твердых частицах. Чтобы вызвать сверхпроводимость, Цвирлейн говорит, что группа должна будет охладить их газы другим фактором пять или около этого.«Мы еще не играли все наши уловки, таким образом, мы думаем, что можем холодать», говорит он.
Это исследование было поддержано частично Национальным научным фондом, Офисом Военно-воздушных сил Научного исследования, армейского Исследовательского управления и Фонда Дэвида и Лусил Пэкард.