2018-12-08 18:46:02
原子代替系统中的电子来探测高温超导体

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高温超导体有可能改变从电力传输和发电到运输的一切。

电子对在没有摩擦的情况下行进的材料 - 意味着当它们移动时没有能量损失 - 可以显着提高电气系统的能量效率。

了解电子如何穿过这些复杂材料最终可以帮助研究人员设计在室温下工作的超导体,从而大大扩展其使用范围。

然而,尽管进行了数十年的研究,但人们对于超导材料(如铜酸盐)或含铜材料中电子自旋和电荷之间复杂的相互作用知之甚少。

现在,在今天发表在“科学”杂志上的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员推出了一种新系统,其中超冷原子被用作超导材料中电子的模型。

由麻省理工学院Thomas A. Frank物理学教授Martin Zwierlein领导的研究人员使用他们描述为“量子模拟器”的系统来实现粒子内相互作用的粒子的Fermi-Hubbard模型。

根据Zwierlein的说法,Fermi-Hubbard模型被认为是解释高温超导性的基础,它非常容易描述,但迄今为止已经证明无法解决。

“模型只是原子或电子在晶格上跳跃,然后,当它们在同一个晶格位置上彼此叠加时,它们就可以相互作用,”他说。 “但即使这是最简单的电子在这些材料中相互作用的模型,世界上也没有可以解决它的计算机。”

相反,研究人员已经建立了一个物理模拟器,其中原子充当电子的替身。

为了构建他们的量子仿真器,研究人员使用激光束相互干扰来产生晶体结构。然后,他们将这个光学晶格内的约400个原子限制在一个方形盒子中。

Zwierlein说,当他们通过施加磁场梯度来倾斜盒子时,他们能够在原子移动时观察原子,并测量它们的速度,从而赋予它们材料的导电性。

“这是一个很棒的平台。我们可以在每个原子移动时单独观察它们,这是独一无二的;我们不能用电子做到这一点,”他说。 “使用电子,你只能测量平均数量。”

仿真器允许研究人员测量原子旋转的传输或运动,以及它如何受到材料内原子间相互作用的影响。 Zwierlein说,到目前为止,在铜酸盐中测量旋转的传输是不可能的,因为材料中的杂质和其他并发症已经抑制了这种努力。

通过测量旋转运动,研究人员能够研究它与电荷的不同之处。

Zwierlein说,由于电子在材料中移动时电子携带电荷和旋转,因此两种性质的运动基本上应该锁定在一起。

然而,研究表明情况并非如此。

“我们证明旋转可以比我们系统中的充电慢得多,”他说。

研究人员随后研究了原子间相互作用的强度如何影响旋转能够流动的程度,麻省理工学院的研究生Matthew Nichols说。

“我们发现大的相互作用会限制允许自旋在系统中移动的可用机制,因此随着原子间相互作用的增加,自旋流速会显着减慢,”Nichols说。

当他们将他们的实验测量结果与在经典计算机上进行的最先进的理论计算进行比较时,他们发现系统中存在的强相互作用使得精确的数值计算变得非常困难。

“这证明了我们的超冷原子系统的强度,可以模拟另一个量子系统,铜酸盐材料的各个方面,并且优于经典计算机可以做到的,”Nichols说。

剑桥大学物理学教授Zoran Hadzibabic表示,使用经典计算机通常很难计算强相关材料中的传输特性,而一些最有趣且实际相关的材料如高温超导体仍然知之甚少。谁没有参与这项研究。

“(研究人员)研究旋转传输,这不仅难以计算,而且在实验中甚至难以在传统的强相关材料中进行研究,从而提供了对电荷和自旋输运之间差异的独特见解,”Hadzibabic说。

作为麻省理工学院旋转运输工作的补充,费斯的运输由普林斯顿大学的Waseem Bakr教授小组测量,在同一期“科学”中阐明电荷电导率如何取决于温度。

麻省理工学院的团队希望使用量子仿真器进行进一步的实验。 例如,由于该系统允许研究人员研究单个原子的运动,他们希望研究每个原子的运动如何与平均值的运动不同,以研究原子水平上的当前“噪声”。

“到目前为止,我们已经测量了平均电流,但我们还想做的是观察粒子运动的噪声;有些比其他运动快一点,所以我们可以了解整个分布, “Zwierlein说。

研究人员还希望通过从二维原子片到一维线来研究传输如何随维度变化。

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