Supergeleiders bij hoge temperaturen hebben het potentieel om alles te transformeren, van elektriciteitstransmissie en stroomopwekking tot transport.

De materialen, waarin elektronenparen zonder wrijving reizen - wat betekent dat er geen energie verloren gaat terwijl ze bewegen - zou de energie-efficiëntie van elektrische systemen drastisch kunnen verbeteren.

Begrijpen hoe elektronen door deze complexe materialen bewegen, zou onderzoekers uiteindelijk kunnen helpen bij het ontwerpen van supergeleiders die bij kamertemperatuur werken, hun gebruik drastisch uitbreiden.

Echter, ondanks tientallen jaren van onderzoek, er is weinig bekend over het complexe samenspel tussen de spin en lading van elektronen in supergeleidende materialen zoals cupraten, of materialen die koper bevatten.

Nutsvoorzieningen, in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , onderzoekers van MIT hebben een nieuw systeem onthuld waarin ultrakoude atomen worden gebruikt als model voor elektronen in supergeleidende materialen.

De onderzoekers, onder leiding van Martin Zwierlein, de Thomas A. Frank hoogleraar natuurkunde aan het MIT, het systeem hebben gebruikt, die ze omschrijven als een "kwantumemulator, " om het Fermi-Hubbard-model van deeltjes die interageren in een rooster te realiseren.

Het Fermi-Hubbard-model, waarvan wordt aangenomen dat het de basis verklaart voor supergeleiding bij hoge temperaturen, is uiterst eenvoudig te beschrijven, en toch is het tot nu toe onmogelijk gebleken om op te lossen, volgens Zwierlein.

"Het model is gewoon atomen of elektronen die rondspringen op een rooster, en dan, wanneer ze op elkaar liggen op hetzelfde rooster, ze kunnen interageren, "zegt hij. "Maar hoewel dit het eenvoudigste model is van elektronen die in deze materialen op elkaar inwerken, er is geen computer ter wereld die het kan oplossen."

Dus in plaats daarvan, de onderzoekers hebben een fysieke emulator gebouwd waarin atomen als stand-ins voor de elektronen fungeren.

Om hun kwantumemulator te bouwen, de onderzoekers gebruikten laserstralen die met elkaar interfereren om een ​​kristallijne structuur te produceren. Vervolgens hebben ze ongeveer 400 atomen opgesloten in dit optische rooster, in een vierkante doos.

Wanneer ze de doos kantelen door een magnetische veldgradiënt toe te passen, ze kunnen de atomen observeren terwijl ze bewegen, en meet hun snelheid, waardoor ze de geleidbaarheid van het materiaal, zegt Zwierlein.

"Het is een prachtig platform. We kunnen elk atoom afzonderlijk bekijken terwijl het beweegt, wat uniek is; dat kunnen we niet met elektronen, ' zegt hij. 'Met elektronen kun je alleen gemiddelde hoeveelheden meten.'

Met de emulator kunnen de onderzoekers het transport meten, of beweging, van de spin van de atomen, en hoe dit wordt beïnvloed door de interactie tussen atomen in het materiaal. Het meten van het transport van spin was tot nu toe niet mogelijk in cuprates, aangezien de inspanningen zijn geremd door onzuiverheden in de materialen en andere complicaties, zegt Zwierlein.

Door de beweging van spin te meten, de onderzoekers konden onderzoeken hoe het verschilt van dat van de lading.

Omdat elektronen zowel hun lading als spin met zich meedragen als ze door een materiaal bewegen, de beweging van de twee eigenschappen moet in wezen aan elkaar worden vergrendeld, zegt Zwierlein.

Echter, het onderzoek toont aan dat dit niet het geval is.

"We laten zien dat spins veel langzamer kunnen diffunderen dan lading in ons systeem, " hij zegt.

De onderzoekers bestudeerden vervolgens hoe de sterkte van de interacties tussen atomen van invloed is op hoe goed spin kan stromen, volgens MIT-afgestudeerde student Matthew Nichols, de hoofdauteur van het artikel.

"We ontdekten dat grote interacties de beschikbare mechanismen kunnen beperken waardoor spins in het systeem kunnen bewegen, zodat de spinstroom aanzienlijk vertraagt ​​naarmate de interacties tussen atomen toenemen, ' zegt Nichols.

Toen ze hun experimentele metingen vergeleken met state-of-the-art theoretische berekeningen uitgevoerd op een klassieke computer, ze ontdekten dat de sterke interacties in het systeem nauwkeurige numerieke berekeningen erg moeilijk maakten.

"Dit demonstreerde de kracht van ons ultrakoude atoomsysteem om aspecten van een ander kwantumsysteem te simuleren, de cuprate-materialen, en om beter te presteren dan wat met een klassieke computer kan worden gedaan, ' zegt Nichols.

Transporteigenschappen in sterk gecorreleerde materialen zijn over het algemeen erg moeilijk te berekenen met klassieke computers, en enkele van de meest interessante, en praktisch relevant, materialen zoals hoge-temperatuur-supergeleiders worden nog steeds slecht begrepen, zegt Zoran Hadzibabic, een professor in de natuurkunde aan de universiteit van Cambridge, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"(De onderzoekers) bestuderen spintransport, wat niet alleen moeilijk te berekenen is, maar ook experimenteel extreem moeilijk te bestuderen in conventionele sterk gecorreleerde materialen, en zo een uniek inzicht te geven in de verschillen tussen lading- en spintransport, ', zegt Hadzibabic.

Als aanvulling op het werk van MIT op het gebied van spintransport, het transport van lading werd gemeten door de groep van professor Waseem Bakr aan de Princeton University, toelichten in hetzelfde nummer van Wetenschap hoe de geleidbaarheid van de lading afhangt van de temperatuur.

Het MIT-team hoopt verdere experimenten uit te voeren met behulp van de kwantumemulator. Bijvoorbeeld, omdat het systeem de onderzoekers in staat stelt de beweging van individuele atomen te bestuderen, ze hopen te onderzoeken hoe de beweging van elk verschilt van die van het gemiddelde, om huidige "ruis" op atomair niveau te bestuderen.

"Tot nu toe hebben we de gemiddelde stroom gemeten, maar wat we ook zouden willen doen is kijken naar het geluid van de beweging van de deeltjes; sommige zijn een beetje sneller dan andere, dus er is een hele verdeling waar we meer over kunnen leren, ' zegt Zwierlein.

De onderzoekers hopen ook te bestuderen hoe transport verandert met dimensionaliteit door van een tweedimensionale laag atomen naar een eendimensionale draad te gaan.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.