9 февраля, 2023

hleb

Находите все последние статьи и смотрите телешоу, репортажи и подкасты, связанные с Россией.

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».

READ  Небольшие дозы: исследование показало, что прием малых доз психоделических грибов может улучшить психическое здоровье.

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».

READ  Что вы увидите в своем ночном небе на этой неделе

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.