Met behulp van atomen die zijn afgekoeld tot slechts miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt, een team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft een intrigerend magnetisch gedrag ontdekt dat zou kunnen helpen verklaren hoe supergeleiding bij hoge temperaturen werkt.

De onderzoekers ontdekten dat het toepassen van een sterk magnetisch veld op deze ultrakoude atomen ervoor zorgde dat ze in een wisselend patroon op één lijn kwamen te liggen en van elkaar wegleunden. Het gedrag, die onderzoekers "gekanteld antiferromagnetisme, " komt overeen met voorspellingen van een decennia oud model dat wordt gebruikt om te begrijpen hoe supergeleiding in bepaalde materialen ontstaat. De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Niemand heeft dit soort gedrag eerder in dit systeem waargenomen, " zei Waseem Bakr, assistent-professor natuurkunde aan de Princeton University. "We gebruikten lasers om kunstmatige kristallen te maken en onderzochten vervolgens wat er gebeurt in microscopisch detail, dat is iets wat je gewoon niet kunt doen in een alledaags materiaal."

Het experiment, uitgevoerd op een tafelblad in Princeton's Jadwin Hall, maakt de verkenning mogelijk van een model dat beschrijft hoe kwantumgedrag aanleiding geeft tot supergeleiding, een toestand waarin stroom zonder weerstand kan vloeien en die wordt gewaardeerd voor elektriciteitstransmissie en het maken van krachtige elektromagneten. Hoewel de basis van conventionele supergeleiding wordt begrepen, onderzoekers onderzoeken nog steeds de theorie van supergeleiding bij hoge temperatuur in op koper gebaseerde materialen, cuprates genaamd.

Vanwege de complexiteit van cuprates, het is moeilijk voor onderzoekers om ze direct te bestuderen om erachter te komen welke eigenschappen leiden tot het vermogen om stroom te geleiden zonder weerstand. In plaats daarvan, door een synthetisch kristal te bouwen met lasers en ultrakoude atomen, de onderzoekers kunnen vragen stellen die anders onmogelijk te beantwoorden zijn.

Bakr en zijn team koelden lithiumatomen af ​​tot enkele tien miljardste graad boven het absolute nulpunt, een temperatuur waarbij de atomen de wetten van de kwantumfysica volgen. De onderzoekers gebruikten lasers om een ​​raster te maken om de ultrakoude atomen op hun plaats te houden. Het rooster, bekend als een optisch rooster, kan worden gezien als een virtuele eiertray die volledig is gemaakt van laserlicht waarin atomen van de ene put naar de andere kunnen springen.

Het team gebruikte de opstelling om te kijken naar de interacties tussen afzonderlijke atomen, die zich op een manier kan gedragen die analoog is aan kleine magneten vanwege een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. De spin van elk atoom kan zowel naar boven als naar beneden oriënteren. Als twee atomen op dezelfde plaats landen, ze ervaren een sterke afstotende interactie en verspreiden zich zodat er slechts één atoom in elk putje is. Atomen in aangrenzende putten van de eiertray hebben de neiging om hun spins tegenover elkaar te laten uitlijnen.

Dit effect, antiferromagnetisme genoemd, gebeurt bij zeer lage temperaturen vanwege de kwantumaard van het koude systeem. Wanneer de twee soorten spinpopulaties ongeveer gelijk zijn, de spins kunnen in elke richting draaien zolang aangrenzende spins niet uitgelijnd blijven.

Toen de onderzoekers een sterk magnetisch veld op de atomen aanbrachten, ze zagen iets merkwaardigs. Met behulp van een microscoop met hoge resolutie die individuele atomen op de roostersites kan afbeelden, het Princeton-team bestudeerde de verandering in de magnetische correlaties van de atomen met de sterkte van het veld. In aanwezigheid van een groot veld, naburige spins bleven niet uitgelijnd, maar oriënteerden zich in een vlak in een rechte hoek met het veld. Bij nader inzien, de onderzoekers zagen dat de tegengesteld uitgelijnde atomen enigszins in de richting van het veld kantelden, zodat de magneten nog steeds tegenovergesteld waren, maar niet precies uitgelijnd in het platte vlak.

Spincorrelaties waren vorig jaar waargenomen in experimenten op Harvard, het Massachusetts Institute of Technology, en Ludwig Maximilian Universiteit van München. Maar de Princeton-studie is de eerste die een sterk veld op de atomen toepast en de gekantelde antiferromagneet observeert.

De waarnemingen werden voorspeld door het Fermi-Hubbard-model, gemaakt om uit te leggen hoe cuprates supergeleidend kunnen zijn bij relatief hoge temperaturen. Het Fermi-Hubbard-model is ontwikkeld door Philip Anderson, Joseph Henry Professor in de natuurkunde van Princeton, Emeritus, die in 1977 een Nobelprijs voor natuurkunde won voor zijn werk aan theoretisch onderzoek naar de elektronische structuur van magnetische en ongeordende systemen.

"Door het Fermi-Hubbard-model beter te begrijpen, kunnen onderzoekers vergelijkbare materialen ontwerpen met verbeterde eigenschappen die stroom kunnen voeren zonder weerstand, ' zei Bakr.

In de studie werd ook gekeken naar wat er zou gebeuren als een deel van de atomen in de eiertray zou worden verwijderd, gaten in het rooster aanbrengen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer het magnetische veld werd aangelegd, het antwoord kwam overeen met metingen gedaan op cuprates. "Dit is meer bewijs dat het voorgestelde Fermi-Hubbard-model waarschijnlijk het juiste model is om te beschrijven wat we in de materialen zien, ' zei Bakr.

Het Princeton-team omvatte afgestudeerde student Peter Brown, die veel van de experimenten heeft uitgevoerd en de eerste auteur van het artikel is. Aanvullende bijdragen aan de experimenten kwamen van Debayan Mitra en Elmer Guardado-Sanchez, zowel afgestudeerde studenten natuurkunde, Peter Schauss, een associate research geleerde in de natuurkunde, en Stanimir Kondov, een voormalig postdoctoraal onderzoeker die nu aan de Columbia University werkt.

De studie omvatte bijdragen aan het begrip van de theorie van Ehsan Khatami van de San José State University, Thereza Paiva aan de Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi aan de Ohio State University, en David Huse, Princeton's Cyrus Fogg Brackett hoogleraar natuurkunde.