Ultrakolde atomer peger mod en spændende magnetisk adfærd

Ved hjælp af atomer afkølet til kun milliarddele af en grad over absolut nul, et team ledet af forskere ved Princeton University har opdaget en spændende magnetisk adfærd, der kan hjælpe med at forklare, hvordan superledende superledning fungerer.

Forskerne fandt ud af, at påføring af et stærkt magnetfelt på disse ultrakølede atomer fik dem til at stille sig i et skiftende mønster og læne sig væk fra hinanden. Adfærden, som forskere kalder "kantet antiferromagnetisme, "er i overensstemmelse med forudsigelser fra en årtier gammel model, der bruges til at forstå, hvordan superledelse opstår i visse materialer. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

"Ingen har observeret denne type adfærd i dette system før, "sagde Waseem Bakr, adjunkt i fysik ved Princeton University. "Vi brugte lasere til at skabe kunstige krystaller og undersøgte derefter, hvad der sker i mikroskopiske detaljer, hvilket er noget, du bare ikke kan gøre i et dagligdags materiale. "

Eksperimentet, udført på en bordplade i Princetons Jadwin Hall, muliggør udforskning af en model, der beskriver, hvordan kvanteadfærd giver anledning til superledelse, en tilstand, hvor strøm kan flyde uden modstand, og som er værdsat for elektricitetstransmission og fremstilling af kraftfulde elektromagneter. Mens grundlaget for konventionel superledningsevne forstås, forskere undersøger stadig teorien om høj temperatur superledning i kobberbaserede materialer kaldet cuprates.

På grund af kompleksiteten i cuprates, det er svært for forskere at studere dem direkte for at finde ud af, hvilke egenskaber der fører til evnen til at lede strøm uden modstand. I stedet, ved at bygge en syntetisk krystal ved hjælp af lasere og ultrakølede atomer, forskerne kan stille spørgsmål, der ellers er umulige at besvare.

Bakr og hans team afkølede litiumatomer til blot et par ti-milliarder af en grad over det absolutte nul, en temperatur, hvor atomerne følger kvantfysikkens love. Forskerne brugte lasere til at skabe et gitter til at fange de ultrakølede atomer på plads. Nettet, kendt som et optisk gitter, kan betragtes som en virtuel æggebakke udelukkende skabt af laserlys, hvor atomer kan hoppe fra den ene brønd til den næste.

Teamet brugte opsætningen til at se på interaktionerne mellem enkeltatomer, som kan opføre sig på en analog måde med små magneter på grund af en kvanteegenskab kaldet spin. Hvert atom kan rotere enten op eller ned. Hvis to atomer lander på samme sted, de oplever en stærk frastødende interaktion og breder sig ud, så der kun er et atom i hver brønd. Atomer i tilstødende brønde i æggebakken har en tendens til at have deres spins justeret modsat hinanden.

Denne effekt, kaldet antiferromagnetisme, sker ved meget lave temperaturer på grund af det kolde systems kvante karakter. Når de to typer spinpopulationer er nogenlunde ens, spins kan rotere i en hvilken som helst retning, så længe nabospins forbliver anti-justeret.

Da forskerne anvendte et stærkt magnetfelt på atomerne, de så noget nysgerrigt. Ved hjælp af et mikroskop i høj opløsning, der kan forestille individuelle atomer på gitterstederne, Princeton -teamet undersøgte ændringen i atomernes magnetiske korrelationer med feltets styrke. I nærvær af et stort felt, nabospins forblev anti-justeret, men orienterede sig i et plan i en ret vinkel til feltet. Ser man nærmere på, forskerne så, at de modsat justerede atomer faldt lidt i felteretningen, så magneterne stadig var modsat vendt, men ikke var præcist justeret i det flade plan.

Spin -korrelationer var blevet observeret sidste år i forsøg på Harvard, Massachusetts Institute of Technology, og Ludwig Maximilian University i München. Men Princeton -undersøgelsen er den første til at anvende et stærkt felt på atomerne og observere den skrå antiferromagnet.

Observationerne blev forudsagt af Fermi-Hubbard-modellen, skabt for at forklare, hvordan cuprates kunne være superledende ved relativt høje temperaturer. Fermi-Hubbard-modellen blev udviklet af Philip Anderson, Princetons Joseph Henry professor i fysik, Emeritus, som vandt en nobelpris i fysik i 1977 for sit arbejde med teoretiske undersøgelser af elektronisk struktur af magnetiske og uordnede systemer.

"At forstå Fermi-Hubbard-modellen bedre kunne hjælpe forskere med at designe lignende materialer med forbedrede egenskaber, der kan bære strøm uden modstand, "Sagde Bakr.

Undersøgelsen undersøgte også, hvad der ville ske, hvis nogle af atomerne i æggebakken blev fjernet, indførelse af huller i gitteret. Forskerne fandt ud af, at når magnetfeltet blev anvendt, svaret stemte overens med målinger udført på cuprates. "Dette er mere bevis på, at den foreslåede Fermi-Hubbard-model sandsynligvis er den korrekte model til at beskrive, hvad vi ser i materialerne, "Sagde Bakr.

Princeton -teamet omfattede kandidatstuderende Peter Brown, der gennemførte mange af eksperimenterne og er papirets første forfatter. Yderligere bidrag til eksperimenterne kom fra Debayan Mitra og Elmer Guardado-Sanchez, begge kandidatstuderende i fysik, Peter Schauss, en associeret forsker i fysik, og Stanimir Kondov, en tidligere postdoktorforsker, der nu er på Columbia University.

Undersøgelsen omfattede bidrag til forståelsen af ​​teorien fra Ehsan Khatami fra San José State University, Thereza Paiva ved Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi ved Ohio State University, og David Huse, Princetons Cyrus Fogg Brackett Professor i fysik.