Стронцій розкриває квантові секрети надпровідності

Надпровідність робить фізику схожою на магію. За низьких температур надпровідні матеріали дозволяють електриці текти нескінченно довго, викидаючи зовнішні магнітні поля, змушуючи їх левітувати над магнітами. МРТ, магнітні потяги та прискорювачі частинок високої енергії використовують надпровідність, яка також відіграє вирішальну роль у квантових обчисленнях , квантових датчиках і науці про квантові вимірювання. Одного дня надпровідні електричні мережі можуть постачати електроенергію з безпрецедентною ефективністю.

Проблеми з надпровідниками

Проте вченим бракує повного контролю над звичайними надпровідниками. Ці тверді матеріали часто містять кілька видів атомів у складних структурах, якими важко маніпулювати в лабораторії. Ще важче вивчити, що відбувається, коли відбувається раптова зміна, наприклад стрибок температури або тиску, яка виводить надпровідник із рівноваги.

Квантова теорія передбачила інтригуючу поведінку, коли надпровідник виводиться з рівноваги. Однак було складно порушити ці матеріали в лабораторії, не порушивши їхні делікатні надпровідні властивості, залишивши ці прогнози неперевіреними.

Інноваційні дослідження JILA

Проте вчені можуть отримати напрочуд глибоке розуміння надпровідності, вивчаючи її з повністю контрольованими масивами атомів у газі. Це підхід дослідницької співпраці в JILA, спільному інституті Національного інституту стандартів і технологій (NIST) і Університету Колорадо Боулдер.

У своїй останній роботі дослідники JILA змусили газ атомів стронцію діяти як надпровідник. Незважаючи на те, що самі атоми стронцію не є надпровідними, вони дотримуються тих самих правил квантової фізики. Дослідники можуть змусити атоми в газі взаємодіяти таким чином, щоб зберегти типи взаємодій, відповідальних за надпровідність, одночасно пригнічуючи інші конкуруючі, складні взаємодії. Вивівши атоми з рівноваги, дослідники побачили зміни у взаємодії атомів, які вплинули б на властивості справжніх надпровідників.

Завдяки газоподібному стронцію, що діє як «квантовий симулятор», дослідники змогли спостерігати поведінку надпровідників, існування якої передбачалося роками. Це дослідження, опубліковане в Nature , пропонує нове розуміння того, як працюють надпровідники, коли їх належним чином виведено з рівноваги, і проливає світло на те, як зробити надпровідники більш надійними та як використовувати їхні унікальні властивості в інших квантових технологіях.

«Наскільки міцні ці речі?»

У нормальному матеріалі електрони рухаються неузгоджено, постійно стикаючись один з одним; зазвичай електрони відштовхуються один від одного. Рухаючись, вони стикаються, втрачаючи енергію та виробляючи тепло; ось чому електричні струми розсіюються, коли електрони течуть у металевому дроті. Однак у надпровіднику електрони об’єднуються в пари зі слабким зв’язком, які називаються куперівськими парами. Коли ці пари утворюються, усі вони прагнуть рухатися узгоджено, і тому вони течуть через матеріал без опору.

Фізика в певному сенсі проста, пояснює фізик-теоретик Ана Марія Рей, співробітник NIST і JILA. Куперівські пари існують у низькоенергетичному стані, оскільки коливання в кристалічній структурі матеріалу стягують електрони разом. Сформовані пари Купера вважають за краще діяти узгоджено і згуртуватися. Пари Купера схожі на «стрілки», які хочуть вишикуватися в одному напрямку. Щоб розблокувати їх або змусити одну зі стрілок вказувати в іншому напрямку, потрібно додати додаткової енергії, щоб розбити пари Купера, пояснює Рей. Енергія, яку потрібно додати, щоб розблокувати їх, називається енергетичним розривом. Сильніша взаємодія між атомами створює більший енергетичний розрив, оскільки тяжіння, яке утримує куперівські пари, дуже сильне. Подолання цього енергетичного розриву забирає багато енергії у пар Купера. Таким чином, цей енергетичний розрив діє як буфер, дозволяючи парам Купера залишатися щасливо зафіксованими у фазі.

Все це працює, коли система знаходиться в рівновазі. Але коли ви вводите раптову, швидку зміну, надпровідник виходить із стану рівноваги або стає «гаснутим». Десятиліттями вчені хотіли знати, що відбувається з надпровідністю після гасіння, яке є різким, але не настільки сильним, щоб повністю розірвати пари Купера, сказав фізик JILA Джеймс Томпсон.

«Іншими словами, наскільки міцні ці речі?» – сказав Томпсон.

Теоретики передбачили три різні можливості або фази, які можуть статися, коли надпровідник гаситься. Подумайте про це як про велику групу танцюристів, каже Томпсон. Спочатку всі синхронізуються, дотримуючись такт музики. Потім деякі люди трохи втомлюються або інші починають рухатися надто швидко, вони врізаються один в одного, і це перетворюється на мош-піт. Це Фаза I, коли надпровідність руйнується. У фазі II танцюристи збиваються з такту, але їм вдається залишатися синхронними. Надпровідність виживає після гасіння. Вчені змогли спостерігати та вивчати ці дві фази.

Але вони ніколи не бачили давно передбачуваної третьої фази, в якій надпровідність системи коливається з часом. У цій фазі наші танцюристи рухатимуться трохи швидше або трохи повільніше, але ніхто не розбивається. Це означає, що іноді це слабший, а іноді сильніший надпровідник. Досі ніхто не міг спостерігати цю третю фазу.

«Все тече»

Працюючи з теоретичною групою Рея, команда Томпсона з JILA охолодила лазером і завантажила атоми стронцію в оптичну порожнину, простір з дзеркалами з високою відбивною здатністю на обох кінцях. Лазерне світло відбивається туди-сюди мільйони разів, перш ніж трохи світла витікає з одного кінця.

Світло в порожнині опосередковує взаємодію між атомами, змушуючи їх вирівнюватись у стан суперпозиції — тобто вони перебувають як у збудженому, так і в основному стані одночасно — і блокувати фазу, як це роблять пари Купера, — пояснює Рей.

Використовуючи лазери, вчені можуть погасити систему, і, вимірявши світло, що витікає, вони дізнаються, як енергетичний розрив змінювався з часом. Завдяки цьому моделюванню квантового надпровідника вони вперше змогли спостерігати всі три динамічні фази.

Вони виявили, що в третій фазі енергетичний розрив може підтримувати надпровідність навіть тоді, коли система вийшла з рівноваги. Використання таких квантових симуляторів може допомогти вченим розробити нетрадиційні або більш надійні надпровідники та краще зрозуміти фізику надпровідників загалом.

Це також суперечливий спосіб для вчених, які працюють у галузі вимірювань, розглядати атомні взаємодії, подібні до тих, що викликають розрив енергії, як користь, а не прокляття.

«У науці про вимірювання взаємодії зазвичай погані. Але тут, коли взаємодії сильні, вони можуть вам допомогти. Розрив захищає систему — все тече», — каже Рей. «В основі цієї ідеї ви могли б мати щось, що коливається вічно».

Мати щось, що коливається вічно, є мрією для квантових технологій, додає Томпсон, тому що це дозволить датчикам працювати краще довше. Подібно до надпровідників, групи атомів, фотонів і електронів у квантових сенсорах повинні залишатися синхронними або когерентними, щоб працювати, і ми не хочемо, щоб вони перетворювалися на квантову мош-піт або «дефазували».

«Я в захваті від того, що одну з динамічних фаз, які ми спостерігаємо, можна використовувати для захисту квантової оптичної когерентності від дефазування. Наприклад, колись це може дозволити оптичному атомному годиннику цокати довше», — сказав Томпсон. «Це абсолютно новий спосіб підвищити точність і чутливість квантових датчиків, тема, яка знаходиться на передовій квантової метрології або вимірювальної науки. Ми хочемо використовувати багато атомів і скористатися взаємодіями, щоб створити кращий датчик».