Źródło: http://phys.org/news/2016-09-individual-atoms-bunch-pairs.html

Źródło: phys.org

„Model ten pomoże nam zrozumieć, co tak naprawdę zachodzi w nadprzewodnikach, oraz co należy zrobić, by uzyskać efekt nadprzewodnictwa w wyższych temperaturach – miejmy nadzieję jak najbliższych temperaturze pokojowej”, twierdzi Martin Zwierlein, profesor fizyki i główny badacz z Research Laboratory of Electronics (Laboratorium Badawczego Elektroniki) w MIT.
Jeśli zamkniemy gaz w butelce i spróbujemy podejrzeć jego atomy, wykorzystując w tym celu najpotężniejsze mikroskopy, zobaczymy tylko niewyraźny, rozmyty obraz. Atomy poruszają się bowiem z niesamowitą prędkością i trudno je dostrzec w normalnej temperaturze.

Niemniej, jeśli atomy znajdą się w ultraniskiej temperaturze, ich prędkość zmniejsza się na tyle, że naukowcy mogą obserwować, jak tworzą one egzotyczne stany materii takie jak materia nadciekła, nadprzewodniki oraz magnesy kwantowe.
Fizykom z Instytutu Technologicznego Massachusetts (MIT) udało się schłodzić gaz złożony z atomów potasu do temperatury kilku nanokelwinów – czyli minimalnie powyżej zera bezwzględnego – oraz uwięzić atomy w dwuwymiarowej sieci optycznej uformowanej przez przecinające się wiązki lasera. Przy użyciu mikroskopu o dużej rozdzielczość badacze wykonali zdjęcia schłodzonych atomów rozmieszczonych w sieci.
Przyglądając się korelacjom pomiędzy umiejscowieniem atomów na setkach takich zdjęć, zespół miał okazję zaobserwować dość nietypowe interakcje atomów w zależności od zajmowanej przez nie pozycji. Niektóre z nich zachowywały się w sposób „aspołeczny” i trzymały się od siebie z dala, podczas gdy inne skupiały się w grupach, układając się na przemian zgodnie ze swoimi momentami magnetycznymi. Jeszcze inne atomy łączyły się w pary, pozostawiając obok siebie puste miejsca czy też dziury.
Zdaniem zespołu badaczy tego rodzaju korelacje przestrzenne mogą rzucić światło na mechanizm powstawania nadprzewodnictwa. Nadprzewodniki to niezwykłe materiały, w których elektrony łączą się w pary i przemieszczają bez tarcia, dzięki czemu nie dochodzi do utraty energii. Jeśli udałoby się uzyskać nadprzewodniki występujące w temperaturze pokojowej, oznaczałoby to początek całkowicie nowej ery dla wszystkich urządzeń, które działają na prąd, z punktu widzenia osiąganej przez nie wydajności.
Zdaniem Martina Zwierleina, profesora fizyki i głównego badacza we wspieranym przez amerykańską Narodową Fundację Naukową (National Science Foundation, NSF) ośrodku prowadzącym badania nad atomami ultrazimnymi Centre for Ultracold Atoms przy MIT, wyniki uzyskane przez jego zespół i przeprowadzony przez niego eksperyment mogą pomóc innym naukowcom w ustaleniu idealnych warunków do wywoływania zjawiska nadprzewodnictwa.
„Model ten pomoże nam zrozumieć, co tak naprawdę zachodzi w nadprzewodnikach, oraz co należy zrobić, by uzyskać efekt nadprzewodnictwa w wyższych temperaturach – miejmy nadzieję jak najbliższych temperaturze pokojowej”, dodaje Zwierlein.
Wyniki prac profesora Zwierleina i jego kolegów ukazały się we wrześniowym wydaniu czasopisma „Science”. Współautorami artykułu byli fizycy doświadczalni z ośrodka „MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms” oraz „Research Laboratory of Electronics” przy MIT, a także dwie grupy fizyków teoretycznych z Uniwersytetu Stanowego w San Jose, Uniwersytetu Stanowego Ohio, Uniwersytetu Rio de Janeiro oraz Uniwersytetu Stanowego w Pensylwanii.

„Atomy w zastępstwie elektronów”
Na obecną chwilę nie jesteśmy w stanie modelować zachowania nadprzewodników wysokotemperaturowych nawet za pomocą najpotężniejszych komputerów. Wynika to z tego, że interakcje zachodzące pomiędzy elektronami są bardzo silne. W związku z tym Zwierlein i jego zespół próbowali zaprojektować „symulator kwantowy”, wykorzystując atomy w gazie w zastępstwie elektronów w nadprzewodzących ciałach stałych.
Założenia przyjęte przez grupę naukowców opierały się na wypracowanym na przestrzeni lat toku rozumowania. Jego pierwszy punkt to zasada zaproponowana w 1925 roku przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego, zwana obecnie „regułą Pauli’ego”. Zgodnie z nią, żadne dwa elektrony nie mogą jednocześnie występować w identycznym stanie kwantowym, czyli mieć na przykład takiego samego obrotu i położenia. Pauli postulował również, że elektrony utrzymują wokół siebie wolną przestrzeń zwaną „dziurą Pauli’ego”.
Okazało się, że teoria ta wyjaśnia układ okresowy pierwiastków, w którym różne konfiguracje elektronów skutkują występowaniem rozmaitych pierwiastków oraz odróżniają na przykład atomy węgla od atomów wodoru.
Następnie włoski fizyk Enrico Fermi zdał sobie sprawę, że ta sama zasada może znajdować zastosowanie nie tylko do elektronów, ale również do atomów w gazie. Mianowicie przestrzeń, jaką atomy zachowują wokół siebie, może determinować określone cechy, takie jak ściśliwość gazu.
Jak dodaje Zwierlein, „Fermi zrozumiał również, że w niskich temperaturach gazy będą zachowywać się w szczególny sposób”.
Brytyjski fizyk, John Hubbard zastosował regułę Pauli’ego w teorii znanej obecnie jako model Fermiego-Hubbarda, który jest najprostszym modelem opisującym interakcje atomów przemieszczających się w sieci optycznej. Dziś uważa się, że model ten wyjaśnia podstawy zjawiska nadprzewodnictwa. Tymczasem, mimo że fizycy teoretyczni wykorzystują ten model w obliczeniach dotyczących zachowania elektronów nadprzewodzących, to udaje im się to wyłącznie w sytuacjach, gdy interakcje pomiędzy elektronami są nieznaczne.
Jak wskazuje Zwierlein, „jest to jeden z zasadniczych powodów, dla których nie poznaliśmy do tej pory mechanizmów zachodzących w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, w których elektrony oddziałują ze sobą zdecydowanie silniej”. Zaznacza on również, że „żaden z istniejących na świecie komputerów nie jest w stanie dokonać obliczeń,, które obrazowałyby przebieg interakcji elektronów w bardzo niskiej temperaturze. Co więcej, nie udało się nigdy z bliska przyjrzeć ich korelacjom przestrzennym, ponieważ nikt nie dysponuje mikroskopem, który umożliwiałby obserwację każdego pojedynczego elektronu”.
Wygospodarowanie wolnej przestrzeni
Zespół pracujący pod kierownictwem Zwierleina postawił sobie za cel przygotować eksperyment, który pozwoliłby obserwować zachowanie atomów zgodnie z modelem Fermiego-Hubbarda. Liczyli oni, że ultrazimne atomy będą zachowywać się w sposób analogiczny do elektronów w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych.
Ta sama grupa opracowała wcześniej protokół przeprowadzenia eksperymentu, zgodnie z którym atomy gazu schłodzone do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu zostałaby uwięzione w dwuwymiarowej płaszczyźnie sieci optycznej uformowanej wiązkami laserów. Dzięki tak niskiej temperaturze naukowcy byli w stanie spowolnić atomy na tyle, by po raz pierwszy uchwycić je na zdjęciach pokazujących ich wzajemne interakcje w sieci.
Na brzegach sieci, gdzie gaz był bardziej rozrzedzony, naukowcy dostrzegli atomy tworzące „dziury Pauli’ego”, tj. utrzymujące wokół siebie wolną przestrzeń.
Jak komentuje to zjawisko Zwierlein, „udało im się wygospodarować dla siebie odrobinę wolnej przestrzeni, w której trudno byłoby znaleźć inny atom”.
W miejscach, w który gaz był bardziej sprężony, naukowcy dokonali nieoczekiwanego odkrycia. Atomy zachowywały się bardziej przyjaźnie w stosunku do swoich najbliższych sąsiadów, a nawet łączyły się z nimi w grupy. Atomy te układały się w nich naprzemiennie zgodnie ze swoimi momentami magnetycznymi.
Zwierlein opisuje tworzone przez nie układy jako „piękne, antyferromagnetyczne konfiguracje przypominające pola szachownicy, o momentach magnetycznych skierowanych na przemian w górę i w dół”.
Niektóre z atomów przeskakiwały również na siebie, łącząc się w pary i pozostawiając obok puste miejsce w sieci. Jak zauważa Zwierlein, zjawisko to przypomina mechanizm, który przypisuje się nadprzewodnictwu wysokotemperaturowemu, zgodnie z którym pary elektronów zajmujące sąsiednie pozycje w sieci optycznej mogą przemieszczać się bez tarcia, jeśli tylko będą miały na to wystarczająco dużo miejsca.
W związku z tym eksperymenty z użyciem gazów przeprowadzane przez kierowany przez niego zespół mogą pomóc naukowcom określić warunki, jakie doprowadziłyby do wystąpienia nadprzewodnictwa w ciałach stałych.
Jak wyjaśnia dalej, „w naszym eksperymencie zjawiska te zachodzą w temperaturach mierzonych w nanokelwinach, ponieważ pracujemy z rozrzedzonymi gazami jednoatomowymi. W przypadku gęstej materii, te same zjawiska będą zachodzić w temperaturze pokojowej”.
Do dzisiaj, zespołowi udało się uzyskać gazy w ultraniskiej temperaturze, które swoim zachowaniem przypominają ciała stałe w temperaturze rzędu setek kelwinów. Zdaniem Zwierleina, chcąc wywołać stan nadprzewodnictwa, jego zespół będzie musiał schłodzić zastosowane gazy jeszcze około pięciokrotnie.
„Nie wykorzystaliśmy do tej pory wszystkich dostępnych sposobów, więc wydaje nam się, że będziemy w stanie uzyskać jeszcze niższą temperaturę” – dodaje Zwierlein.

Więcej informacji: L. W. Cheuk et al. Observation of spatial charge and spin correlations in the 2D Fermi-Hubbard model, Science (2016).

Share on FacebookTweet about this on TwitterGoogle+Print this page