Atomer står for elektroner i system til sondering af højtemperatur-superledere

Højtemperatur-superledere har potentialet til at transformere alt fra eltransmission og elproduktion til transport.

Materialerne, hvor elektronpar bevæger sig uden friktion - hvilket betyder, at ingen energi går tabt, når de bevæger sig - kunne dramatisk forbedre elektriske systemers energieffektivitet.

At forstå, hvordan elektroner bevæger sig gennem disse komplekse materialer, kan i sidste ende hjælpe forskere med at designe superledere, der fungerer ved stuetemperatur, dramatisk udvide deres anvendelse.

Imidlertid, trods årtiers forskning, lidt er kendt om det komplekse samspil mellem spin og ladning af elektroner i superledende materialer såsom kuprater, eller materialer indeholdende kobber.

Nu, i en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , forskere ved MIT har afsløret et nyt system, hvor ultrakolde atomer bruges som model for elektroner i superledende materialer.

Forskerne, ledet af Martin Zwierlein, Thomas A. Frank professor i fysik ved MIT, har brugt systemet, som de beskriver som en "kvanteemulator, "for at realisere Fermi-Hubbard-modellen af ​​partikler, der interagerer i et gitter.

Fermi-Hubbard modellen, som menes at forklare grundlaget for højtemperatursuperledning, er meget enkel at beskrive, og alligevel har det indtil videre vist sig umuligt at løse, ifølge Zwierlein.

"Modellen er bare atomer eller elektroner, der hopper rundt på et gitter, og så, når de er oven på hinanden på det samme gittersted, de kan interagere, " siger han. "Men selvom dette er den enkleste model af elektroner, der interagerer i disse materialer, der er ingen computer i verden, der kan løse det."

Så i stedet forskerne har bygget en fysisk emulator, hvor atomer fungerer som stand-ins for elektronerne.

For at bygge deres kvanteemulator, forskerne brugte laserstråler, der interfererer med hinanden til at producere en krystallinsk struktur. De indespærrede derefter omkring 400 atomer i dette optiske gitter, i en firkantet kasse.

Når de vipper kassen ved at anvende en magnetisk feltgradient, de er i stand til at observere atomerne, mens de bevæger sig, og måle deres hastighed, give dem materialets ledningsevne, siger Zwierlein.

"Det er en vidunderlig platform. Vi kan se på hvert enkelt atom individuelt, når det bevæger sig rundt, hvilket er unikt; vi kan ikke gøre det med elektroner, " siger han. "Med elektroner kan du kun måle gennemsnitlige mængder."

Emulatoren giver forskerne mulighed for at måle transporten, eller bevægelse, af atomernes spin, og hvordan dette påvirkes af interaktionen mellem atomer i materialet. Måling af transport af spin har ikke været mulig i cuprates indtil nu, da indsatsen er blevet hæmmet af urenheder i materialerne og andre komplikationer, siger Zwierlein.

Ved at måle bevægelsen af ​​spin, forskerne var i stand til at undersøge, hvordan den adskiller sig fra ladningen.

Da elektroner både bærer deres ladning og spin med sig, når de bevæger sig gennem et materiale, bevægelsen af ​​de to egenskaber skal i det væsentlige være låst sammen, siger Zwierlein.

Imidlertid, forskningen viser, at dette ikke er tilfældet.

"Vi viser, at spins kan diffundere meget langsommere end opladning i vores system, " han siger.

Forskerne undersøgte derefter, hvordan styrken af ​​interaktionerne mellem atomer påvirker, hvor godt spin kan flyde, ifølge MIT kandidatstuderende Matthew Nichols, avisens hovedforfatter.

"Vi fandt ud af, at store interaktioner kan begrænse de tilgængelige mekanismer, der tillader spin at bevæge sig i systemet, så spinflowet bremses betydeligt, efterhånden som interaktionerne mellem atomer øges, " siger Nichols.

Da de sammenlignede deres eksperimentelle målinger med state-of-the-art teoretiske beregninger udført på en klassisk computer, de fandt ud af, at de stærke vekselvirkninger, der var til stede i systemet, gjorde nøjagtige numeriske beregninger meget vanskelige.

"Dette demonstrerede styrken af ​​vores ultrakolde atomsystem til at simulere aspekter af et andet kvantesystem, cuprate materialerne, og for at overgå, hvad der kan gøres med en klassisk computer, " siger Nichols.

Transportegenskaber i stærkt korrelerede materialer er generelt meget svære at beregne ved brug af klassiske computere, og nogle af de mest interessante, og praktisk relevant, materialer som højtemperatur superledere er stadig dårligt forstået, siger Zoran Hadzibabic, professor i fysik ved Cambridge University, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"(Forskerne) studerer spintransport, hvilket ikke bare er svært at beregne, men også eksperimentelt ekstremt svært at studere i konventionelle stærkt korrelerede materialer, og dermed give et unikt indblik i forskellene mellem ladnings- og spintransport, " siger Hadzibabic.

Supplerende til MIT's arbejde med spintransport, ladningstransporten blev målt af professor Waseem Bakrs gruppe ved Princeton University, belysende i samme nummer af Videnskab hvordan ladningsledningsevne afhænger af temperaturen.

MIT-teamet håber at udføre yderligere eksperimenter ved hjælp af kvanteemulatoren. For eksempel, da systemet tillader forskerne at studere bevægelsen af ​​individuelle atomer, de håber at undersøge, hvordan bevægelsen af ​​hver af dem adskiller sig fra gennemsnittet, at studere nuværende "støj" på atomniveau.

"Hidtil har vi målt den gennemsnitlige strøm, men hvad vi også gerne vil gøre er at se på støjen fra partiklernes bevægelse; nogle er en smule hurtigere end andre, så der er en hel distribution, som vi kan lære om, " siger Zwierlein.

Forskerne håber også at studere, hvordan transport ændrer sig med dimensionalitet ved at gå fra et todimensionelt ark af atomer til en endimensionel ledning.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.