Onderzoekers van Dartmouth College hebben 's werelds eerste superfluïde circuit gebouwd dat gebruikmaakt van paren ultrakoude elektronachtige atomen, volgens een studie gepubliceerd in Physical Review Letters .

Het laboratoriumtestbed geeft natuurkundigen controle over de sterkte van interacties tussen atomen, wat een nieuwe manier biedt om de fenomenen achter exotische materialen zoals supergeleiders te onderzoeken.

"Veel moderne technologie draait om het beheersen van de stroom van elektronen rond circuits", zegt Kevin Wright, assistent-professor natuurkunde aan Dartmouth en senior onderzoeker van het onderzoek. "Door elektronenachtige atomen te gebruiken, kunnen we theorieën testen op manieren die voorheen niet mogelijk waren."

Hoewel geleidende materialen zoals koper goed worden begrepen, begrijpen onderzoekers niet volledig hoe elektronen bewegen of kunnen worden gecontroleerd in exotische materialen zoals topologische isolatoren en supergeleiders die nuttig kunnen zijn voor het bouwen van kwantumcomputers.

Het nieuwe circuit fungeert als een kwantumemulator om te onderzoeken hoe elektronen in echte materialen werken en biedt een manier om de beweging van elektronen in een zeer controleerbare omgeving te analyseren.

"Elektronen kunnen dingen doen die veel vreemder en rijker zijn dan iemand ooit had gedacht", zei Wright. "We leren over elektronen zonder elektronen te gebruiken."

Atoomdeeltjes zijn ofwel bosonen of fermionen. Bosonen, zoals fotonen, hebben de neiging om samen te klonteren. Fermionen, zoals elektronen, hebben de neiging elkaar te vermijden. Hoewel er al superfluïde circuits bestaan ​​die ultrakoude bosonachtige atomen gebruiken, is het Dartmouth-circuit het eerste dat ultrakoude atomen gebruikt die als fermionen fungeren.

De schakeling werkt op de isotoop lithium-6. Hoewel lithium-6 een compleet atoom is, heeft het eigenschappen waardoor het zich gedraagt ​​als een individueel elektron. Het gedrag van het complete atoom dient als analoog voor individuele elektronen.

"Als we de eigenschappen van lithium-6-atomen naar elektronen zouden kunnen schalen, zouden ze zelfs boven kamertemperatuur zonder weerstand stromen", zegt Yanping Cai, de eerste auteur van het artikel die het artikel schreef als een Dartmouth Ph.D. kandidaat. "Het bestuderen van deze eenvoudige circuits kan inzichten opleveren over supergeleiding bij hoge temperaturen."

In het microscopische circuit wordt laserlicht gebruikt om wolken lithiumatomen af ​​te koelen tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. Zodra de atomen zijn vertraagd, kunnen de onderzoekers ze op hun plaats houden, verplaatsen of op een andere manier besturen op een manier die lijkt op hoe individuele elektronen rond supergeleidende circuits stromen.

Door magnetische velden aan te passen, kan het team de manier waarop de atomen op elkaar inwerken veranderen, waardoor de fermionen elkaar met verschillende sterkte aantrekken of afstoten, een functie die niet mogelijk is met individuele elektronen of andere supervloeibare systemen zoals vloeibaar helium.

Volgens de onderzoekers zijn lasers in vergelijkbare technieken gebruikt in andere experimenten, maar dit is het eerste atomaire circuit dat op deze manier afstembaar is. De lasers zorgen ook voor de structuur van het circuit en detecteren hoe de atomen werken.

"We hebben de drempel overschreden om testcircuits te bouwen met fermionische kwantumgassen", zegt Wright. "Het ontwerpen en regelen van de atoomstroom rond een circuit met ultrakoude fermionen op dezelfde manier als in een elektronisch apparaat is nog nooit eerder gelukt."

De aanpak stelt onderzoekers in staat om de vorming en het verval te bestuderen van "aanhoudende stromen" die voor onbepaalde tijd stromen zonder energie-invoer.

Het vermogen om supergeleidende circuits te emuleren zou grote experimentele mogelijkheden kunnen openen om theorieën te testen en materialen met unieke eigenschappen te analyseren. Het onderzoek kan kansen creëren voor de ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten die gebruik maken van supergeleiders en andere exotische kwantummaterialen.

Co-auteurs van het onderzoekspaper zijn onder meer Dartmouth Ph.D. kandidaten Daniel Allman en Parth Sabharwal. + Verder verkennen

Natuurkundigen vinden bewijs van een exotische toestand van materie