Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойФизикаВзгляд в квантовую реальность: физики Массачусетского технологического института создали первые снимки фермионных...

Взгляд в квантовую реальность: физики Массачусетского технологического института создали первые снимки фермионных пар

- Advertisement -

Физики Массачусетского технологического института успешно изобразили пары частиц в облаке атомов, что дало новое понимание поведения электронов в сверхпроводящих материалах. Открытие, задокументированное в журнале Science, может помочь в понимании сверхпроводимости и дальнейшем развитии безнагревной электроники. (Замысел художника.)

Изображения проливают свет на то, как электроны образуют сверхпроводящие пары, которые скользят по материалам без трения.

Когда ваш ноутбук или смартфон нагревается, это происходит из-за потери энергии при перемещении. То же самое касается линий электропередач, передающих электроэнергию между городами. Фактически, около 10 процентов вырабатываемой энергии теряется при передаче электроэнергии. Это потому, что электроны, которые несут электрический заряд, действуют как свободные агенты, натыкаясь на другие электроны, когда они вместе движутся по шнурам питания и линиям передачи. Вся эта толкотня порождает трение и, в конечном счете, тепло.

Но когда электроны объединяются в пары, они могут подняться над трением и скользить по материалу без трения. Такое «сверхпроводящее» поведение наблюдается в ряде материалов, хотя и при сверхнизких температурах. Если эти материалы можно будет сделать сверхпроводящими при температуре, близкой к комнатной, они могут проложить путь к устройствам с нулевыми потерями, таким как не нагревающиеся ноутбуки и телефоны, а также сверхэффективным линиям электропередач. Но сначала ученым нужно будет понять, как электроны спариваются.

Теперь новые снимки пар частиц в облаке атомов могут дать представление о том, как электроны объединяются в пары в сверхпроводящем материале. Снимки были сделаны Массачусетский технологический институт физиков и являются первыми изображениями, которые непосредственно фиксируют спаривание фермионов — основного класса частиц, в который входят электроны, а также протоны, нейтроны и некоторые типы атомов.

Фермионы со спином вверх и вниз

Физики Массачусетского технологического института сделали снимки пар частиц в облаке атомов, которые могут дать представление о том, как электроны объединяются в пары в сверхпроводящем материале. На этом рисунке красные и синие шары — это фермионы со спином вверх и вниз, а некоторые из них соединены вместе. Белые узлы являются дважды занятыми узлами. Кредит: Томас Хартке

В данном случае команда Массачусетского технологического института работала с фермионами в виде атомов калия-40 и в условиях, моделирующих поведение электронов в некоторых сверхпроводящих материалах. Они разработали метод изображения переохлажденного облака атомов калия-40, который позволил им наблюдать за спариванием частиц, даже если они разделены небольшим расстоянием. Они также могли выявлять интересные паттерны и модели поведения, например, то, как пары образовывали шахматную доску, которую нарушали проходившие мимо одинокие одиночки.

Наблюдения, опубликованные 6 июля в журнале Наука, может служить визуальным образцом того, как электроны могут образовывать пары в сверхпроводящих материалах. Результаты могут также помочь описать, как нейтроны объединяются в пары, образуя очень плотную и бурлящую сверхтекучую жидкость внутри нейтронных звезд.

«Спаривание фермионов лежит в основе сверхпроводимости и многих явлений в ядерной физике», — говорит автор исследования Мартин Цвирляйн, профессор физики Массачусетского технологического института имени Томаса А. Франка. «Но никто не видел эту пару на месте. Так что было просто захватывающе, наконец, увидеть эти изображения на экране, честно».

Соавторами исследования являются Томас Хартке, Ботонд Орег, Картер Тернбо и Нинъюань Цзя, все члены физического факультета Массачусетского технологического института, Гарвардского центра сверххолодных атомов Массачусетского технологического института и Исследовательской лаборатории электроники.

Достойный вид

Непосредственно наблюдать за образованием пар электронов — невыполнимая задача. Они просто слишком малы и слишком быстры для захвата с помощью существующих методов визуализации. Чтобы понять их поведение, такие физики, как Цвирляйн, обратились к аналогичным системам атомов. И электроны, и некоторые атомы, несмотря на разницу в размерах, похожи в том, что они являются фермионами — частицами, обладающими свойством, известным как «полуцелый спин». Когда фермионы с противоположным спином взаимодействуют, они могут образовывать пары, как это делают электроны в сверхпроводниках и как это делают некоторые атомы в облаке газа.

Группа Цвирляйна изучала поведение атомов калия-40, известных как фермионы, которые можно получить в одном из двух спиновых состояний. Когда калий атом одного спина взаимодействует с атомом другого спина, они могут образовать пару подобно сверхпроводящим электронам. Но в нормальных условиях при комнатной температуре атомы взаимодействуют размыто, что трудно уловить.

Физики Массачусетского технологического института Фермионные пары

Группа Цвирляйна изучала поведение атомов калия-40, известных как фермионы, которые можно получить в одном из двух спиновых состояний. Слева направо: Картер Тернбо, Нинюань Цзя, Томас Хартке, Мартин Цвирляйн и Ботонд Орег. Кредит: Томас Хартке

Чтобы получить хорошее представление об их поведении, Цвирляйн и его коллеги изучают частицы как очень разбавленный газ, состоящий примерно из 1000 атомов, который они помещают в ультрахолодные условия нанокельвина, которые замедляют атомы до ползания. Исследователи также помещают газ в оптическую решетку или сетку лазерного света, внутри которой могут прыгать атомы, и которую исследователи могут использовать в качестве карты для определения точного местоположения атомов.

В своем новом исследовании команда улучшила существующую технику визуализации фермионов, что позволило им на мгновение заморозить атомы на месте, а затем сделать снимки атомов калия-40 отдельно с тем или иным конкретным спином. Затем исследователи могли наложить изображение одного типа атома на другой и посмотреть, где эти два типа спариваются и как.

«Было чертовски сложно добраться до момента, когда мы действительно могли делать эти изображения», — говорит Цвирляйн. «Сначала вы можете себе представить, что в вашем изображении появляются большие жирные дыры, ваши атомы убегают, ничего не работает. Нам приходилось решать ужасно сложные задачи в лаборатории на протяжении многих лет, и у студентов была большая выносливость, и, наконец, возможность увидеть эти изображения была абсолютно воодушевляющей».

Парный танец

То, что увидела команда, было поведением пар среди атомов, которое было предсказано моделью Хаббарда — широко распространенной теорией, которая, как полагают, держит их ключом к поведению электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, материалах, которые проявляют сверхпроводимость при относительно высоких (хотя и очень холодных) температурах. Прогнозы того, как электроны объединяются в пары в этих материалах, были проверены с помощью этой модели, но до сих пор никогда не наблюдались напрямую.

Команда создавала и отображала различные облака атомов тысячи раз и переводила каждое изображение в цифровую версию, напоминающую сетку. Каждая сетка показывала расположение атомов обоих типов (обозначенных красным по сравнению с синим в их статье). На этих картах они смогли увидеть квадраты в сетке либо с одиноким красным, либо с синим атомом, а также квадраты, в которых локально образовались пары красного и синего атомов (обозначены белым), а также пустые квадраты, которые не содержали ни красного, ни синего атома (черные).

Уже отдельные изображения показывают множество локальных пар, а также красные и синие атомы в непосредственной близости. Анализируя наборы из сотен изображений, команда смогла показать, что атомы действительно появляются парами, иногда соединяясь в тесную пару внутри одного квадрата, а иногда образуя более свободные пары, разделенные одним или несколькими интервалами сетки. Это физическое разделение, или «нелокальное спаривание», было предсказано моделью Хаббарда, но никогда не наблюдалось напрямую.

Исследователи также заметили, что наборы пар, казалось, образовывали более широкий узор в виде шахматной доски, и что этот узор колебался то в одну, то в другую сторону, когда один из партнеров пары отваживался выйти за пределы своего квадрата и на мгновение искажал шахматную доску других пар. Это явление, известное как «полярон», также было предсказано, но никогда не наблюдалось напрямую.

«В этом динамическом супе частицы постоянно прыгают друг на друга, удаляясь, но никогда не танцуя слишком далеко друг от друга», — отмечает Цвирляйн.

Спаривание между этими атомами также должно происходить в сверхпроводящих электронах, и Цвирляйн говорит, что новые снимки команды помогут лучше понять ученых о высокотемпературных сверхпроводниках и, возможно, дать представление о том, как эти материалы могут быть настроены на более высокие, более практичные температуры.

«Это захватывающая новая работа», — говорит Иммануэль Блох, профессор экспериментальной физики в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, который не участвовал в этой работе. «Это прекрасный пример того, как сложные корреляции можно непосредственно наблюдать в этих строго контролируемых экспериментах по квантовому моделированию, и он будет стимулировать размышления о более сложных закономерностях корреляций, которые можно непосредственно зафиксировать в эксперименте».

Ссылка: «Прямое наблюдение нелокального спаривания фермионов в притягивающем газе Ферми-Хаббарда», авторы Томас Хартке, Ботонд Орег, Картер Тернбо, Нинюань Цзя и Мартин Цвирляйн, 6 июля 2023 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.ade4245

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом США, Управлением научных исследований ВВС США и стипендией факультета Ванневара Буша.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме