Управляя кольцами ультрахолодных фермионов, исследовательская группа из Дартмута создала первую в мире перестраиваемую сверхтекучую схему с использованием электроноподобного атома. Кредит: Кевин Райт.

Лабораторный испытательный стенд дает физикам контроль над силой взаимодействия между атомами, предоставляя новый способ изучения явлений, лежащих в основе экзотических материалов, таких как сверхпроводники.

«Большая часть современных технологий вращается вокруг управления потоком электронов вокруг цепей», — сказал Кевин Райт, доцент кафедры физики в Дартмуте и старший научный сотрудник исследования. «Используя электроноподобные атомы, мы можем проверять теории способами, которые раньше были невозможны».

В то время как проводящие материалы, такие как медь, хорошо изучены, исследователи не до конца понимают, как движутся электроны или как ими можно управлять в экзотических материалах, таких как топологические изоляторы и сверхпроводники, которые могут быть полезны для создания квантовых компьютеров.

Новая схема действует как квантовый эмулятор для изучения того, как электроны работают в реальных материалах, предлагая способ анализа движения электронов в контролируемой среде.

«Электроны могут делать вещи гораздо более странные и интересные, чем кто-либо мог себе представить», — сказал Райт. «Мы изучаем электроны, не используя электроны».

Атомные частицы являются либо бозонами, либо фермионами. Бозоны, такие как фотоны, склонны собираться вместе. Фермионы, такие как электроны, имеют тенденцию избегать друг друга. В то время как сверхтекучие схемы, использующие ультрахолодные бозоноподобные атомы, уже существуют, схема Дартмута является первой, в которой используются ультрахолодные атомы, действующие как фермионы.

Схема работает на изотопе лития-6. Хотя литий-6 представляет собой законченный атом, у него есть свойства, которые заставляют его вести себя как отдельный электрон. Поведение всего атома служит аналогом для отдельных электронов.

«Если бы мы могли сопоставить свойства атомов лития-6 с электронами, они бы текли без сопротивления даже при температуре выше комнатной », — сказал Янпин Цай, первый автор статьи, написавший ее как доктор философии в Дартмуте. кандидат. «Изучение этих простых схем может дать представление о высокотемпературной сверхпроводимости».

Лазерный свет используется в микроскопической схеме для охлаждения облаков атомов лития до температуры, близкой к абсолютному нулю. Как только атомы замедляются, исследователи могут удерживать их на месте, перемещать или иным образом управлять ими таким образом, чтобы имитировать движение отдельных электронов по сверхпроводящим цепям.

Регулируя магнитные поля, команда может изменить способ взаимодействия атомов, заставив фермионы притягивать или отталкивать друг друга с разной силой, что невозможно с отдельными электронами или другими сверхтекучими системами, такими как жидкий гелий.

По словам исследователей, лазеры использовались в аналогичных технологиях и в других экспериментах, но это первая атомная схема, которая настраивается таким образом. Лазеры также обеспечивают структуру схемы и определяют, как действуют атомы.

«Мы перешли порог создания тестовых схем с фермионными квантовыми газами», — сказал Райт. «Разработка и управление потоком атомов вокруг цепи с ультрахолодными фермионами так же, как это делается в электронном устройстве, никогда раньше не осуществлялось».

Этот подход позволит исследователям изучать формирование и затухание «постоянных токов», которые текут бесконечно без подвода энергии.

Возможность эмулировать сверхпроводящие цепи может открыть большие экспериментальные возможности для проверки теорий и анализа материалов с уникальными свойствами. Исследование может создать возможности для разработки новых видов устройств, использующих сверхпроводники и другие экзотические квантовые материалы.

Соавторами исследовательской работы являются Dartmouth Ph.D. кандидаты Дэниел Оллман и Парт Сабхарвал.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org