In de natuurkunde zijn wetenschappers gefascineerd door het mysterieuze gedrag van supergeleiders:materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand als ze worden afgekoeld tot extreem lage temperaturen. Binnen deze supergeleidende systemen werken elektronen samen in 'Cooper-paren' omdat ze tot elkaar worden aangetrokken vanwege trillingen in het materiaal dat fononen worden genoemd.

Als thermodynamische fase van materie bestaan ​​supergeleiders doorgaans in een evenwichtstoestand. Maar onlangs raakten onderzoekers van JILA geïnteresseerd in het in een opgewonden toestand brengen van deze materialen en het onderzoeken van de daaruit voortvloeiende dynamiek. Zoals gerapporteerd in een nieuwe Natuur paper simuleerden de theorie- en experimentteams van JILA en NIST Fellows Ana Maria Rey en James K. Thompson, in samenwerking met prof. Robert Lewis-Swan van de Universiteit van Oklahoma, supergeleiding onder zulke opgewonden omstandigheden met behulp van een atoomholtesysteem.

In plaats van zich bezig te houden met daadwerkelijke supergeleidende materialen, maakten de wetenschappers gebruik van het gedrag van strontiumatomen, lasergekoeld tot 10 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt en zwevend in een optische holte opgebouwd uit spiegels.

In deze simulator werd de aan- of afwezigheid van een Cooper-paar gecodeerd in een systeem met twee niveaus of qubit. In deze unieke opstelling werden door fotonen gemedieerde interacties tussen elektronen tussen de atomen in de holte gerealiseerd.

Dankzij hun simulatie hebben de onderzoekers drie verschillende fasen van de supergeleidende dynamiek waargenomen, waaronder een zeldzame 'Fase III' met aanhoudend oscillerend gedrag, voorspeld door theoretici van de gecondenseerde materie, maar nooit eerder waargenomen.

Deze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor een dieper begrip van supergeleiding en de beheersbaarheid ervan, en nieuwe mogelijkheden bieden voor het ontwikkelen van unieke supergeleiders. Bovendien is het veelbelovend voor het verbeteren van de coherentietijd voor kwantumdetectietoepassingen, zoals het verbeteren van de gevoeligheid van optische klokken.

Supergeleidende fasen identificeren

Het JILA-team concentreerde zich op het simuleren van het Barden-Cooper-Schrieffer-model, dat het gedrag van het Cooper-paar beschrijft. Zoals mede-eerste auteur en JILA-afgestudeerde Dylan Young zei:“Het BCS-model bestaat al sinds de jaren vijftig en is van cruciaal belang voor ons begrip van hoe supergeleiders werken. Toen theoretici van de gecondenseerde materie de dynamiek van supergeleiders die buiten evenwicht waren, begonnen te bestuderen, ze zijn natuurlijk met dit model begonnen."

In de afgelopen decennia hebben theoretici van de gecondenseerde materie voorspeld dat een supergeleider drie verschillende dynamische fasen zal doormaken wanneer deze evolueert. In Fase I vervalt de sterkte van de supergeleiding snel tot nul. Fase II vertegenwoordigt daarentegen een stabiele toestand waarin de supergeleiding behouden blijft.

De voorheen niet waargenomen Fase III is echter het meest intrigerend. "Het idee van fase III is dat de sterkte van supergeleiding aanhoudende oscillaties kent zonder demping", legt Anjun Chu, afgestudeerd student en mede-eerste auteur van JILA, uit.

"In het fase III-regime kunnen interacties tussen veel lichamen, in plaats van de oscillaties te onderdrukken, leiden tot een zelf gegenereerde periodieke aandrijving van het systeem en de oscillaties stabiliseren. Het observeren van dit exotische gedrag vereist nauwkeurige controle van experimentele omstandigheden."

Om deze ongrijpbare fase te observeren, maakte het team gebruik van de samenwerking tussen de theorie van de groep van Rey en het experiment van de groep van Thompson om een ​​nauwkeurig gecontroleerde experimentele opstelling te creëren, in de hoop de experimentele parameters te verfijnen om Fase III te bereiken.

Precieze simulaties maken in een caviteitsomgeving

Terwijl onderzoekers eerder probeerden fase III in echte supergeleidende systemen waar te nemen, is het meten van deze fase vanwege technische problemen ongrijpbaar gebleven. "Ze hadden niet de juiste 'knoppen' of uitleesmechanismen", legt Young uit. "Aan de andere kant geeft onze implementatie in een atoomholtesysteem ons toegang tot zowel instelbare bedieningselementen als nuttige waarneembare gegevens om de dynamiek te karakteriseren."

Voortbouwend op eerder werk hebben de onderzoekers een wolk strontiumatomen gevangen in een optische holte. In deze 'kwantumsimulator' emuleerden de atomen Cooper-paren en ondervonden ze een collectieve interactie die parallel loopt aan de aantrekkingskracht die wordt ervaren door elektronen in BCS-supergeleiders.

"We beschouwen elk atoom als een Cooper-paar", legt Young uit. "Een atoom in de aangeslagen toestand simuleert de aanwezigheid van een Cooper-paar, en de grondtoestand vertegenwoordigt de afwezigheid ervan. Deze mapping is krachtig omdat we als atoomfysici weten hoe we atomen moeten manipuleren op manieren die je met Cooper gewoon niet kunt doen." paren."

De onderzoekers pasten deze kennis toe om verschillende fasen van de dynamiek in hun simulatie te induceren door een proces dat bekend staat als 'quenching'. Zoals Young zei:“Uitdoven is wanneer we ons systeem plotseling veranderen of ‘schoppen’ om te zien hoe het reageert. In dit geval bereiden we onze atomen voor in deze zeer collectieve superpositietoestand tussen grond- en aangeslagen toestanden. Vervolgens veroorzaken we een uitdoving door een laserstraal aanzetten die alle atomen verschillende energieën geeft."

Door de aard van deze uitdoving te veranderen, konden de onderzoekers verschillende dynamische fasen zien. Ze bedachten zelfs een truc om de ongrijpbare Fase III waar te nemen, waarbij de wolk van atomen in tweeën werd gesplitst. "Het gebruik van twee atomenwolken met afzonderlijke controle over energieverschuivingen is het sleutelidee om Fase III te bereiken," merkte Chu op.

In supergeleiders kunnen de energieniveaus van elektronen worden opgesplitst in twee sectoren, grotendeels bezet of nauwelijks bezet, gescheiden door het Fermi-niveau. "Onze opstelling in spinsystemen heeft intrinsiek geen Fermi-niveau, dus we houden hiermee rekening met behulp van twee atoomwolken:één wolk simuleert de toestanden onder het Fermi-niveau, terwijl een andere wolk de andere [kwantum] toestanden simuleert", voegde Chu eraan toe.

Om de dynamiek van de supergeleider in de holte te meten, volgden de onderzoekers het licht dat uit de optische holte lekte in realtime. Hun gegevens vonden duidelijke punten waar de gesimuleerde supergeleider tussen fasen overging en uiteindelijk Fase III bereikte.

Het zien van de eerste metingen van Fase III verraste veel teamleden. Zoals Thompson zei:"Het was buitengewoon bevredigend om de wiebels te zien." Wat haar aandeel in de samenwerking betreft, was Rey net zo enthousiast om te zien dat de theorie en het experiment op één lijn lagen.

“Wat de theorie betreft, zouden BCS-supervloeistoffen/supergeleiders in principe kunnen worden waargenomen in feitelijk gedegenereerde fermionische gassen, zoals die Debbie Jin van JILA ons heeft geleerd hoe ze te creëren. Het was echter moeilijk om de dynamische fasen in deze gassen te observeren. systemen We voorspelden al in 2021 dat alle dynamische fasen van BCS zich in plaats daarvan zouden kunnen manifesteren in een atoomholte-experiment. Het was zo leuk om te zien hoe onze theoretische voorspellingen werkelijkheid werden en de dynamische fasen daadwerkelijk in een echt experiment konden observeren.'

Onderliggende natuurkunde met bredere toepassingen

Hoewel het observeren van Fase III binnen hun systeem een ​​belangrijke prestatie was, ontdekte het team ook dat het gemeten gedrag bredere implicaties zou kunnen hebben dan alleen supergeleiding. Zoals Thompson uitlegde:‘In termen van het onderliggende model dat je gebruikt om het te beschrijven, blijkt dat dit BCS-model al deze verbindingen heeft met verschillende soorten natuurkunde op verschillende energieschalen, temperatuurschalen en tijdschalen, van supergeleiders tot neutronensterren. naar kwantumsensoren."

Rey voegde eraan toe:"Deze waarnemingen openen echt een pad om onconventionele supergeleiders met fascinerende topologische eigenschappen te simuleren voor het realiseren van robuuste kwantumcomputers. Het zal fantastisch zijn om zelfs speelgoedmodellen van deze complexe systemen te emuleren in onze kwantumsimulator met atoomholten."

Meer informatie: Het observeren van dynamische fasen van BCS-supergeleiders in een QED-simulator met holtes, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x, www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x

Journaalinformatie: Natuur

Geleverd door JILA