Квантовый симулятор позволяет впервые микроскопически наблюдать взаимодействие носителей заряда.

Посмотрите, как группа исследователей MPQ впервые экспериментирует с тем, как дырки (носители положительного заряда) в твердотельной модели объединяются в пары. Этот процесс может сыграть важную роль в понимании высокотемпературной сверхпроводимости.

Используя квантовый симулятор, исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) наблюдали пары носителей заряда, которые могут быть ответственны за перенос электрического тока без сопротивления в высокотемпературных сверхпроводниках. На сегодняшний день точные физические механизмы этих сложных материалов остаются в значительной степени неизвестными. Теории предполагают, что причина образования пары и, следовательно, явления сверхпроводимости кроется в магнитных силах. Команда из Гархинга впервые смогла показать пары, сформированные таким образом. Их эксперимент был основан на решетчатом расположении холодных атомов, а также на хитроумном подавлении движения свободных носителей заряда. Свои выводы исследователи опубликовали в журнале Nature.

С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников почти 40 лет назад ученые пытались проследить лежащие в их основе механизмы квантовой физики. Но сложные материалы по-прежнему таят в себе загадки. Новые результаты, полученные командой из подразделения MPQ Multibody Quantum Systems в Гархинге, теперь дают новое микроскопическое представление о процессах, которые могут лежать в основе так называемых нетрадиционных сверхпроводников.

Решающим для любого типа сверхпроводимости является образование тесно связанных пар носителей заряда — электронов или дырок, поскольку электроны называются вакансиями. «Причина этого кроется в квантовой механике, — объясняет физик MPQ Сара Хирт. — Каждый электрон или дырка обладает спином, равным половине целого числа — квантовой физической величины, которую можно представить как меру внутреннего спина частицы. Атомы тоже имеют спин. Однако по квантово-статистическим причинам только частицы с целыми спинами могут двигаться через кристаллическую решетку без сопротивления при определенных условиях. «Итак, для этого электроны или дырки должны соединиться», — говорит Хирт. В обычных сверхпроводниках колебания решетки, называемые фононами, помогают в соединении. С другой стороны, в нетрадиционных сверхпроводниках работает другой механизм, но вопрос о том, какой из них, пока остается без ответа. «В широко распространенной теории непрямые магнитные силы играют решающую роль», — говорит Сара Хирт. Но это пока не может быть подтверждено экспериментально».

Твердотельная модель перфорирована отверстиями

Чтобы лучше понять процессы в таких материалах, исследователи использовали квантовый симулятор: разновидность квантового компьютера, воссоздающего физические системы. Для этого они расположили чрезвычайно холодные атомы в вакууме с помощью лазерного излучения таким образом, чтобы имитировать электроны в упрощенной твердотельной модели. При этом спины атомов располагались в чередующихся направлениях: создавалась антиферромагнитная структура, характерная для многих высокотемпературных сверхпроводников, — и стабилизировалась магнитными взаимодействиями. Затем команда «доработала» эту модель, уменьшив количество атомов в системе. Таким образом, в сетчатой ​​структуре появились дыры.

Команда MPQ теперь может показать, что магнитные силы действительно создают пары. Для этого они использовали экспериментальный трюк. «Движущиеся носители заряда в таком материале, как высокотемпературный сверхпроводник, подвержены действию конкурирующих сил», — объясняет Хирт. С другой стороны, у них есть стремление рассредоточиться, то есть быть везде одновременно. Это дает им активное преимущество. С другой стороны, магнитные взаимодействия обеспечивают регулярное расположение спиновых состояний атомов, электронов и дырок, а также предполагается образование пар носителей заряда. Однако: «Конкуренция между силами до сих пор мешала нам наблюдать такие пары под микроскопом», — говорит Тимон Хелкер, глава исследовательской группы. «Вот почему у нас возникла идея предотвратить разрушительное движение носителей заряда в одном пространственном направлении».

Более пристальный взгляд через квантовый газовый микроскоп

Таким образом, магнитные силы в значительной степени оставались невозмущенными. Результат: дырки, сблизившиеся друг с другом, образовали ожидаемые пары. Чтобы наблюдать за этой связью, команда использовала квантовый газовый микроскоп — устройство, с помощью которого можно детально отслеживать квантово-механические процессы. Были обнаружены не только пары отверстий, но и относительное расположение пар, указывающее на силы отталкивания между ними. Команда сообщает о своей работе в научном журнале Nature. «Результаты подтверждают идею о том, что потеря электрического сопротивления в нетрадиционных сверхпроводниках вызвана магнитными силами», — подтверждает профессор Эммануэль Блох, директор MPQ и глава отдела многотельных квантовых систем. «Это приводит к лучшему пониманию этих необычных материалов и показывает новый способ образования стабильных пар дырок даже при очень высоких температурах, что может резко увеличить критическую температуру сверхпроводников».

Исследователи из Института квантовой оптики имени Макса Планка сейчас планируют новые эксперименты на более сложных моделях, в которых соединены большие двумерные массивы атомов. Мы надеемся, что такие более крупные системы создадут больше пар дырок и позволят контролировать их перемещение по сети: передачу электрического тока без сопротивления из-за его сверхпроводимости.