Используя лазерный свет для улавливания атомов в виде шахматной доски, команда ученых из Принстона изучила, как сопротивление - потеря электрического тока в виде тепла - может развиваться в нетрадиционных металлах.
Результаты могут помочь объяснить, как некоторые типы сверхпроводников, изготовленных из оксидов меди, способны так эффективно проводить электричество. Исследование было опубликовано онлайн 6 декабря в журнале Science..
Сверхпроводящие материалы - это материалы, которые эффективно передают электричество без потери тока в виде тепла. Поскольку они не тратят электроэнергию впустую, они могут повысить энергоэффективность энергосистемы. Они также могут открыть возможности для новых технологий.
«Если вы хотите более эффективно передавать электричество по линиям электропередач, то улучшение нашего фундаментального понимания транспорта в этих материалах окажет значительное влияние на нашу способность разрабатывать более качественные материалы», - сказал Васим Бакр, доцент кафедры физики. и старший автор исследования.
Сверхпроводники на основе оксида меди ценятся за их способность работать при относительно высоких температурах по сравнению с другими типами сверхпроводников. Эти материалы были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году.
Чтобы изучить, как развивается сопротивление, исследователи провели эксперимент, в ходе которого атомы были захвачены равномерно распределенной сеткой, состоящей из пересекающихся лазерных лучей. Образовавшаяся структура, называемая оптической решеткой, удерживает атомы, как яйца в коробке для яиц или шашки на шахматной доске.
Эта установка позволяет исследователям увидеть, что происходит между атомами. Обычно это невозможно, потому что атомы в твердом теле плотно упакованы.
В этом эксперименте атомы находятся примерно в 10 000 раз дальше друг от друга, чем атомы в обычном материале, что позволяет исследователям рассматривать их с помощью микроскопа. Крошечные частицы хранятся при очень низких температурах - всего несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля - чтобы подавить их обычную нервозность.
Исследователи использовали атомы в качестве замены электронов, заряженных частиц, которые переносят электрический ток. Атомы легче изображать и манипулировать ими, чем электронами.
«Наши атомы лития в оптической решетке подчиняются той же физике, что и электроны в реальных материалах», - сказал Питер Браун, аспирант по физике и первый автор исследования. «Это выгодно, потому что мы имеем больший контроль над нашей системой, чем это возможно при использовании реальных материалов - например, мы можем настраивать взаимодействия между атомами и изменять плотность атомов."
Чтобы изучить, как развивается сопротивление, исследователи проецировали лазерный луч на атомы в решетке, создавая пульсации плотности, которые проходят через атомы. Команда измерила, как быстро затухают волны, что происходит из-за того, что атомы сталкиваются друг с другом и теряют синхронизацию.
Команда повторила эксперимент для различных температур, каждый раз нагревая атомы до другой температуры и наблюдая, как сопротивление меняется с температурой.
Они увидели две интересные вещи: во-первых, при повышении температуры сопротивление увеличивалось линейно: повышение температуры приводило к пропорциональному увеличению сопротивления. Это было неожиданно, потому что простейшая теория для этих систем, которая называется теорией жидкости Ферми, предсказывает другую модель реакции на температуру, где сопротивление увеличивается пропорционально квадрату температуры, поэтому при повышении температуры сопротивление сначала увеличивается медленно, а затем быстро.
Этот неожиданный линейный отклик на температуру наблюдается в сверхпроводниках на основе оксида меди или "купратов". Такое поведение дало этим материалам название «странных металлов», и некоторые исследователи считают, что понимание этого поведения может пролить свет на происхождение высокотемпературной сверхпроводимости.
Еще одно наблюдение, сделанное командой, заключается в том, что при высоких температурах сопротивление превышает то, что теоретики предсказывали в этих системах. Объяснение этому состоит в том, что атомы больше не ведут себя как дискретные частицы, а ведут себя скорее как квантовый суп, где каждая частица больше не имеет собственной идентичности. Это состояние возникает, когда система превышает теоретическую границу, называемую пределом Мотта-Иоффе-Регеля (MIR). Физики называют такие материалы «плохими металлами».
Это состояние интересно, потому что считается, что сопротивление развивается, когда частицы разлетаются, отскакивая от близлежащих частиц, как шарики для игры в пинбол в машине. Превышение границы MIR означает, что частицы не следуют этой простой картине.
"Здравый смысл говорит, что частица не может рассеяться, пока не отскочит от другой частицы. Но мы увидели, что удельное сопротивление продолжает расти и не соответствует этому пределу", - сказал Бакр.
Дэвид Хьюз, профессор физики Сайруса Фогга Брэкетта из Принстона и теоретик, специализирующийся на физике взаимодействующей квантовой материи, дал теоретическое объяснение экспериментальным наблюдениям. Помимо Хьюза, Брауна и Бакра, в команду Принстона входили аспиранты Дебаян Митра и Элмер Гуардадо-Санчес, а также научный сотрудник Дикке Питер Шаусс.
Команда сотрудничала с Резой Нурафканом, Алексис Реймбо, Шарлем-Дэвидом Хебертом, Саймоном Бержероном и Андре-Мари Трембле из Шербрукского университета в Канаде; и Юре Кокаль из Института Йозефа Стефана в Любляне, Словения.
Связанная с этим работа по изучению спиновой проводимости холодных атомов в оптической решетке была выполнена группой под руководством профессора Мартина Цвирляйна из Массачусетского технологического института и опубликована в том же номере журнала Science.