Если вы разольете газ по бутылкам и попытаетесь изобразить его атомы с помощью самых мощных на сегодняшний день микроскопов, вы увидите не более чем расплывчатое пятно. Атомы мчатся с молниеносной скоростью, и их трудно определить при температуре окружающей среды.
Если, однако, эти атомы погрузить в сверхнизкие температуры, они замедлятся до ползания, и ученые смогут начать изучать, как они могут образовывать экзотические состояния материи, такие как сверхтекучие жидкости, сверхпроводники и квантовые магниты.
Физики из Массачусетского технологического института охладили газ из атомов калия до нескольких нанокельвинов - чуть выше абсолютного нуля - и заперли атомы в двумерном листе оптической решетки, созданной пересекающимися лазерами. С помощью микроскопа высокого разрешения исследователи получили изображения охлажденных атомов, находящихся в решетке.
Просматривая корреляции между положениями атомов на сотнях таких изображений, команда ученых наблюдала, как отдельные атомы взаимодействуют довольно своеобразным образом в зависимости от их положения в решетке. Некоторые атомы демонстрировали «антиобщественное» поведение и держались подальше друг от друга, в то время как некоторые группировались вместе с чередующимися магнитными ориентациями. Другие, казалось, цеплялись друг за друга, создавая пары атомов рядом с пустыми пространствами или дырами.
Команда считает, что эти пространственные корреляции могут пролить свет на происхождение сверхпроводящего поведения. Сверхпроводники - это замечательные материалы, в которых электроны объединяются в пары и движутся без трения, а это означает, что в пути не теряется энергия. Если сверхпроводники смогут существовать при комнатной температуре, они могут открыть совершенно новую, невероятно эффективную эру для всего, что зависит от электроэнергии.
Мартин Цвирляйн, профессор физики и главный исследователь Центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института NSF и его Исследовательской лаборатории электроники, говорит, что результаты его команды и экспериментальная установка могут помочь ученым определить идеальные условия для индукции сверхпроводимости.
«Извлекая уроки из этой атомной модели, мы можем понять, что на самом деле происходит в этих сверхпроводниках, и что нужно сделать, чтобы создать сверхпроводники с более высокой температурой, приближающейся, надеюсь, к комнатной температуре», - говорит Цвирляйн.
Результаты Цвирляйна и его коллег опубликованы в выпуске журнала Science от 16 сентября. В число соавторов входят экспериментаторы из Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и две теоретические группы из Университета штата Сан-Хосе, Университета штата Огайо, Университета Рио-де-Жанейро и Университета штата Пенсильвания.
Атомы вместо электронов
Сегодня смоделировать поведение высокотемпературных сверхпроводников невозможно даже с помощью самых мощных компьютеров в мире, так как взаимодействия между электронами очень сильны. Вместо этого Цвирляйн и его команда стремились разработать «квантовый симулятор», используя атомы газа в качестве замены электронов в сверхпроводящем твердом теле.
Группа основывала свое обоснование на нескольких исторических линиях рассуждений: во-первых, в 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули сформулировал то, что сейчас называется принципом запрета Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, например спина, или положение - одновременно. Паули также постулировал, что электроны поддерживают определенную сферу личного пространства, известную как «дыра Паули».
Его теория оказалась для объяснения периодической таблицы элементов: различные конфигурации электронов порождают определенные элементы, в результате чего атомы углерода, например, отличаются от атомов водорода.
Итальянский физик Энрико Ферми вскоре понял, что тот же самый принцип может быть применен не только к электронам, но и к атомам в газе: Степень, в которой атомы хотят держаться особняком, может определять свойства, такие как сжимаемость., газа.
«Он также понял, что эти газы при низких температурах будут вести себя особым образом», - говорит Цвирляйн.
Британский физик Джон Хаббард затем включил принцип Паули в теорию, известную сейчас как модель Ферми-Хаббарда, которая представляет собой простейшую модель взаимодействующих атомов, прыгающих по решетке. Сегодня считается, что эта модель объясняет основу сверхпроводимости. И хотя теоретики смогли использовать эту модель для расчета поведения сверхпроводящих электронов, они смогли сделать это только в ситуациях, когда электроны слабо взаимодействуют друг с другом.
«Это основная причина, по которой мы не понимаем высокотемпературные сверхпроводники, в которых электроны очень сильно взаимодействуют друг с другом», - говорит Цвирляйн.«В мире нет классического компьютера, который мог бы рассчитать, что произойдет при очень низких температурах с взаимодействующими [электронами]. Их пространственные корреляции также никогда не наблюдались на месте, потому что ни у кого нет микроскопа, чтобы рассмотреть каждый отдельный электрон».
Освобождение личного пространства
Команда Цвирляйна стремилась разработать эксперимент для реализации модели Ферми-Хаббарда с атомами в надежде увидеть поведение ультрахолодных атомов, аналогичное поведению электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.
Группа ранее разработала экспериментальный протокол, чтобы сначала охладить газ атомов почти до абсолютного нуля, а затем заманить их в ловушку в двумерной плоскости генерируемой лазером решетки. При таких сверхнизких температурах атомы замедлились настолько, что исследователи смогли впервые зафиксировать их на изображениях, когда они взаимодействовали через решетку.
На краях решетки, где газ был более разбавлен, исследователи наблюдали атомы, образующие дыры Паули, сохраняющие определенное личное пространство внутри решетки.
"Они выделяют для себя небольшое пространство, где очень маловероятно найти второго парня внутри этого пространства", - говорит Цвирляйн.
Где газ был более сжатым, команда обнаружила нечто неожиданное: атомы были более склонны к тому, чтобы иметь близких соседей, и на самом деле были очень плотно сгруппированы. Эти атомы демонстрировали чередующиеся магнитные ориентации.
«Это красивые антиферромагнитные корреляции с шахматным рисунком - вверх, вниз, вверх, вниз», - описывает Цвирляйн.
В то же время было обнаружено, что эти атомы часто прыгают друг на друга, создавая пару атомов рядом с пустым квадратом решетки. Это, по словам Цвирляйна, напоминает механизм, предложенный для высокотемпературной сверхпроводимости, в котором пары электронов, резонирующие между соседними узлами решетки, могут проноситься через материал без трения, если есть достаточное количество пустого пространства, чтобы пропустить их.
В конечном счете, говорит он, эксперименты группы в газах могут помочь ученым определить идеальные условия для возникновения сверхпроводимости в твердых телах.
Цвирляйн объясняет: «Для нас эти эффекты возникают при нанокельвинах, потому что мы работаем с разбавленными атомарными газами. Если у вас есть плотный кусок материи, такие же эффекты вполне могут происходить при комнатной температуре».
В настоящее время команде удалось достичь сверхнизких температур в газах, эквивалентных сотням кельвинов в твердых телах. Чтобы вызвать сверхпроводимость, по словам Цвирляйна, группе придется охладить свои газы еще в пять раз или около того.
"Мы еще не использовали все свои трюки, поэтому думаем, что можем стать еще холоднее", - говорит он.