原子可为探测高温超导体的系统提供电子?

高温超导体有潜力改变从电力传输、发电到运输的一切。电子对在这种材料中运动时没有摩擦,也就是说运动时没有能量损失,这种材料可以极大地提高电力系统的能源效率。了解电子如何在这些复杂材料中运动,最终将有助于研究人员设计出在室温下工作的超导体,从而极大地扩大其用途。然而尽管进行了几十年的研究,对于铜酸盐等超导材料或含铜材料中自旋与电子电荷之间的复杂相互作用却知之甚少。如今在《科学》(Science)上发表的一篇论文中,麻省理工学院(MIT)的研究人员公布了一种新系统,利用超冷原子作为超导材料中电子的模型。由麻省理工学院(MIT)托马斯a弗兰克(Thomas a . Frank)物理学教授马丁

博科园-科学科普:费米-哈伯德模型被认为解释了高温超导的基础,它非常容易描述,但到目前为止被证明是不可能解决的。这个模型只是原子或电子在晶格上跳跃,然后当它们在相同的晶格位置上相互重叠时,它们就可以相互作用。但即使这是电子在这些材料中相互作用的最简单模型,世界上也没有计算机能够解决它。因此研究人员构建了一个物理仿真器,其中原子充当电子的替身。为了构建量子仿真器,研究人员使用相互干扰的激光束来产生晶体结构。然后他们把大约400个原子限制在这个光学格子里,在一个正方形的盒子里。当他们通过施加磁场梯度使盒子倾斜时,他们能够观察原子的运动,并测量它们的速度,从而获得材料的导电性。

原子就像小磁铁,所以施加磁力把它们推到左边(左上角)。由于这些原子相互排斥,如果没有空的位置(中间上部),它们就不能移动。但是原子“磁针”仍然可以自由移动,较强的磁体(红色)扩散到图像的左边,较弱的磁体(蓝色)必须留出空间并移动到右边(底部一行)。这种所谓的自旋输运是在冷原子量子仿真器中一个原子一个原子地解决。图片: Massachusetts Institute of Technology

这是一个很棒的平台,可以单独观察每个原子的运动,这是唯一不能用电子做到这一点,电子只能测量平均量。仿真器可以让研究人员测量原子自旋的传输或运动,以及原子之间在材料中的相互作用如何影响自旋。在铜酸盐中测量自旋的输运到目前为止是不可能的,因为材料中的杂质和其他并发症阻碍了这项工作。通过测量自旋的运动,研究人员能够研究它与电荷的不同。由于电子在穿过材料时携带电荷并自旋,这两种性质的运动本质上应该是锁定在一起的。然而,研究表明事实并非如此。研究证明,在系统中自旋的扩散速度要比电荷慢得多。根据麻省理工学院研究生马修·尼科尔斯(Matthew Nichols)所说:研究人员随后研究了原子之间相互作用的强度如何影响自旋的流动。

尼科尔斯是这篇论文的第一作者。尼科尔斯说:我们发现,大的相互作用会限制现有的机制,这些机制允许自旋在系统中移动,因此,随着原子之间相互作用的增加,自旋流显著减慢。”当他们将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非常困难。这证明了我们的超冷原子系统在模拟另一个量子系统铜酸盐材料方面的强度,并且比经典计算机所能做的还要好。(研究人员)研究的是自旋输运,这不仅很难计算,而且在传统的强相关材料中,甚至在实验上也极其难以研究,从而为电荷和自旋输运之间的区别提供了独特的见解。

作为麻省理工学院自旋输运研究的补充,普林斯顿大学Waseem Bakr教授的团队测量了电荷的输运,并在同一期《科学》上阐明了电荷导电性如何依赖于温度。MIT团队希望使用量子模拟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与平均原子的运动有何不同,从而在原子水平上研究当前的“噪声”。到目前为止已经测量了平均电流,但研究人员还想做的是观察粒子运动的噪音;有些速度稍快一些,所以我们可以了解整个分布。研究人员还希望通过研究从二维原子到一维导线的传输是如何随维数变化。

博科园-科学科普|研究/来自:麻省理工学院

参考期刊文献 :《Science》

DOI: 10.1126/science.aat4134

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