Laboratoriet skaber superfluid-kredsløb ved hjælp af fermioner til at studere elektronadfærd

Forskere ved Dartmouth College har bygget verdens første superfluid-kredsløb, der bruger par af ultrakolde elektronlignende atomer, ifølge en undersøgelse offentliggjort i Physical Review Letters .

Laboratorietestlejet giver fysikere kontrol over styrken af ​​interaktioner mellem atomer, hvilket giver en ny måde at udforske fænomenerne bag eksotiske materialer såsom superledere.

"Meget af moderne teknologi drejer sig om at kontrollere strømmen af ​​elektroner omkring kredsløb," sagde Kevin Wright, assisterende professor i fysik ved Dartmouth og seniorforsker i undersøgelsen. "Ved at bruge elektronlignende atomer kan vi teste teorier på måder, som ikke var mulige før."

Mens ledende materialer såsom kobber er godt forstået, forstår forskere ikke helt, hvordan elektroner bevæger sig eller kan kontrolleres i eksotiske materialer som topologiske isolatorer og superledere, der kan være nyttige til at bygge kvantecomputere.

Det nye kredsløb fungerer som en kvanteemulator til at udforske, hvordan elektroner fungerer i virkelige materialer, og tilbyder en måde at analysere elektronernes bevægelse i en meget kontrollerbar indstilling.

"Elektroner kan gøre ting, der er langt mere mærkelige og rige, end nogen havde forestillet sig," sagde Wright. "Vi lærer om elektroner uden at bruge elektroner."

Atompartikler er enten bosoner eller fermioner. Bosoner, såsom fotoner, har en tendens til at klynge sig sammen. Fermioner, såsom elektroner, har en tendens til at undgå hinanden. Mens superfluid-kredsløb, der bruger ultrakolde bosonlignende atomer, allerede eksisterer, er Dartmouth-kredsløbet det første, der bruger ultrakolde atomer, der fungerer som fermioner.

Kredsløbet fungerer på isotopen lithium-6. Selvom lithium-6 er et komplet atom, har det egenskaber, der gør, at det virker som en individuel elektron. Det komplette atoms opførsel tjener som en analog for individuelle elektroner.

"Hvis vi kunne skalere egenskaberne af lithium-6 atomer til elektroner, ville de flyde uden modstand selv over stuetemperatur," sagde Yanping Cai, den første forfatter af papiret, der skrev papiret som Dartmouth Ph.D. kandidat. "At studere disse simple kredsløb kan give indsigt om højtemperatursuperledning."

Laserlys bruges i det mikroskopiske kredsløb til at afkøle skyer af lithiumatomer til temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Når atomerne er bremset, kan forskerne holde dem på plads, flytte dem rundt eller på anden måde kontrollere dem på måder, der efterligner, hvordan individuelle elektroner flyder rundt i superledende kredsløb.

Ved at justere magnetiske felter kan teamet ændre den måde, atomerne interagerer på, hvilket får fermionerne til at tiltrække eller frastøde hinanden med varierende styrke, en egenskab, der ikke er mulig med individuelle elektroner eller andre superfluidsystemer såsom flydende helium.

Ifølge forskerne er lasere blevet brugt i lignende teknikker i andre eksperimenter, men dette er det første atomkredsløb, der kan indstilles på denne måde. Laserne giver også strukturen af ​​kredsløbet og registrerer, hvordan atomerne virker.

"Vi har krydset tærsklen for at bygge testkredsløb med fermioniske kvantegasser," sagde Wright. "Design og styring af atomstrømmen omkring et kredsløb med ultrakolde fermioner på samme måde, som det gøres i en elektronisk enhed, er aldrig blevet gennemført før."

Tilgangen vil give forskere mulighed for at studere dannelsen og henfaldet af "vedvarende strømme", der flyder på ubestemt tid uden energitilførsel.

Evnen til at efterligne superledende kredsløb kunne åbne store eksperimentelle muligheder for at teste teorier og analysere materialer med unikke egenskaber. Forskningen kunne skabe muligheder for udvikling af nye slags enheder, der bruger superledere og andre eksotiske kvantematerialer.

Medforfattere til forskningspapiret omfatter Dartmouth Ph.D. kandidaterne Daniel Allman og Parth Sabharwal. + Udforsk yderligere

Fysikere finder beviser for en eksotisk tilstand af stof