Simulering observerer tre forskellige faser af superledende dynamik

Inden for fysik er forskere blevet fascineret af superlederes mystiske adfærd - materialer, der kan lede elektricitet med nul modstand, når de afkøles til ekstremt lave temperaturer. Inden for disse superledende systemer slår elektroner sig sammen i "Cooper-par", fordi de tiltrækkes af hinanden på grund af vibrationer i det materiale, der kaldes fononer.

Som en termodynamisk fase af stof eksisterer superledere typisk i en ligevægtstilstand. Men for nylig blev forskere ved JILA interesseret i at sparke disse materialer ind i ophidsede tilstande og udforske den efterfølgende dynamik. Som rapporteret i en ny Nature papir, teori- og eksperimenthold af JILA og NIST Fellows Ana Maria Rey og James K. Thompson, i samarbejde med prof. Robert Lewis-Swan ved University of Oklahoma, simulerede superledning under sådanne exciterede forhold ved hjælp af et atom-hulrum-system.

I stedet for at beskæftige sig med faktiske superledende materialer, udnyttede forskerne strontiumatomernes adfærd, laserkølet til 10 milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt og svævet i et optisk hulrum bygget af spejle.

I denne simulator blev tilstedeværelsen eller fraværet af et Cooper-par kodet i et to-niveau system eller qubit. I denne unikke opsætning blev foton-medierede interaktioner mellem elektroner realiseret mellem atomerne i hulrummet.

Takket være deres simulering observerede forskerne tre forskellige faser af superledende dynamik, inklusive en sjælden "fase III" med vedvarende oscillerende adfærd forudsagt af teoretikere af kondenseret stof, men aldrig tidligere observeret.

Disse resultater kan bane vejen for en dybere forståelse af superledning og dens kontrollerbarhed, hvilket giver nye muligheder for at udvikle unikke superledere. Desuden giver det et løfte om at forbedre kohærenstiden for kvanteregistreringsapplikationer, såsom forbedring af optiske ures følsomhed.

Identifikation af superledende faser

JILA-teamet fokuserede på at simulere Barden-Cooper-Schrieffer-modellen, som beskriver Cooper-parrets adfærd. Som med-førsteforfatter og JILA-kandidatstuderende Dylan Young sagde:"BCS-modellen har eksisteret siden 1950'erne og er central for vores forståelse af, hvordan superledere fungerer. Da teoretikere af kondenseret stof begyndte at studere superlederes dynamik ude af ligevægt, de startede naturligvis med denne model."

I de sidste par årtier har teoretikere af kondenseret stof forudsagt tre forskellige dynamiske faser for en superleder at opleve, når den udvikler sig. I fase I falder styrken af ​​superledning hurtigt til nul. I modsætning hertil repræsenterer fase II en steady state, hvor superledning bevares.

Den tidligere uobserverede fase III er dog den mest spændende. "Idéen med fase III er, at styrken af ​​superledning har vedvarende svingninger uden dæmpning," forklarede JILA kandidatstuderende og medforfatter Anjun Chu.

"I fase III-regimet kan mange-kropsinteraktioner i stedet for at undertrykke svingningerne føre til en selvgenereret periodisk drift til systemet og stabilisere svingningerne. At observere denne eksotiske adfærd kræver præcis kontrol af eksperimentelle forhold."

For at observere denne undvigende fase udnyttede holdet teorisamarbejdet fra Reys gruppe og eksperiment fra Thompsons gruppe til at skabe et præcist kontrolleret eksperimentelt setup i håb om at finjustere de eksperimentelle parametre for at opnå fase III.

Oprettelse af præcise simuleringer i et hulrum

Mens forskere tidligere forsøgte at observere fase III i rigtige superledende systemer, er måling af denne fase forblevet uhåndgribelig på grund af tekniske vanskeligheder. "De havde ikke de rigtige 'knapper' eller udlæsningsmekanismer," forklarede Young. "På den anden side giver vores implementering i et atom-hulrum-system os adgang til både justerbare kontroller og nyttige observerbare til at karakterisere dynamikken."

Med udgangspunkt i tidligere arbejde fangede forskerne en sky af strontiumatomer i et optisk hulrum. I denne "kvantesimulator" emulerede atomerne Cooper-par og oplevede en kollektiv interaktion, der er parallel til tiltrækningen, som elektroner oplever i BCS-superledere.

"Vi tænker på hvert atom som repræsenterende et Cooper-par," forklarede Young. "Et atom i den exciterede tilstand simulerer tilstedeværelsen af ​​et Cooper-par, og grundtilstanden repræsenterer fraværet af et. Denne kortlægning er kraftfuld, fordi vi som atomfysikere ved, hvordan man manipulerer atomer på måder, som du bare ikke kan med Cooper par."

Forskerne anvendte denne viden til at inducere forskellige faser af dynamik i deres simulering ved en proces kendt som "quenching". Som Young sagde:"Quenching er, når vi pludselig ændrer eller 'sparker' vores system for at se, hvordan det reagerer. I dette tilfælde forbereder vi vores atomer i denne meget kollektive superpositionstilstand mellem jord- og exciterede tilstande. Derefter inducerer vi en quench ved at tænder en laserstråle, der giver alle atomerne forskellige energier."

Ved at ændre karakteren af ​​denne quench kunne forskerne se forskellige dynamiske faser. De udtænkte endda et trick til at observere den undvigende fase III, som involverede at dele skyen af ​​atomer i to. "At bruge to skyer af atomer med separat kontrol over energiskift er nøgleideen til at opnå fase III," bemærkede Chu.

I superledere kan energiniveauer af elektroner opdeles i to sektorer, stort set besat eller knap besat, adskilt af Fermi-niveauet. "Vores opsætning i spin-systemer har ikke et Fermi-niveau i sig selv, så vi tager højde for dette ved hjælp af to atomskyer:En sky simulerer tilstandene under Fermi-niveauet, mens en anden sky simulerer de andre [kvante] tilstande," tilføjede Chu.

For at måle dynamikken i superlederen i hulrummet sporede forskerne lyset, der lækker fra det optiske hulrum i realtid. Deres data fandt tydelige punkter, hvor den simulerede superleder skiftede mellem faser og til sidst nåede fase III.

At se de første målinger af fase III overraskede mange af holdet. Som Thompson sagde, "Det var faktisk yderst tilfredsstillende at se vrikkerne." For hendes del i samarbejdet var Rey lige så begejstret for at se teorien og eksperimentet hænge sammen.

"På teorisiden kunne BCS-supervæsker/superledere i princippet observeres i faktiske degenererede fermioniske gasser, som dem Debbie Jin på JILA lærte os at skabe. Det har dog været svært at observere de dynamiske faser i disse. Vi forudsagde tilbage i 2021, at alle BCS dynamiske faser i stedet kunne manifestere sig i et atom-hulrum eksperiment.

Underliggende fysik med bredere anvendelser

Mens observation af fase III i deres system var en betydelig præstation, fandt holdet også, at den målte adfærd kunne have bredere implikationer ud over superledning. Som Thompson uddybede:"Med hensyn til den underliggende model, som du bruger til at beskrive den, viser det sig, at denne BCS-model har alle disse forbindelser til forskellige typer fysik på forskellige energiskalaer, temperaturskalaer og tidsskalaer, fra superledere til neutronstjerner til kvantesensorer."

Rey tilføjede:"Disse observationer åbner virkelig en vej til at simulere ukonventionelle superledere med fascinerende topologiske egenskaber til realisering af robuste kvantecomputere. Det vil være fantastisk at efterligne selv legetøjsmodeller af disse komplekse systemer i vores atom-hulrum kvantesimulator."

Flere oplysninger: Observerer dynamiske faser af BCS-superledere i en hulrums-QED-simulator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x , www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x

Journaloplysninger: Natur

Leveret af JILA