Varje grön prick representerar en individuell litiumatom. Forskarna använder ett kvantgasmikroskop för att avbilda atomerna, som har kylts till en bråkdel av en grad över absolut noll och fångats på plats med hjälp av lasrar. Upphovsman:Peter Brown, Princeton Universitet.
Med hjälp av atomer som svalnat till bara miljarder av grader över absolut noll, ett team som leds av forskare vid Princeton University har upptäckt ett spännande magnetiskt beteende som kan hjälpa till att förklara hur högtemperatur supraledning fungerar.
Forskarna fann att applicering av ett starkt magnetfält på dessa ultrakylda atomer fick dem att ställa upp i ett växlande mönster och luta sig från varandra. Uppförandet, som forskare kallar "kantad antiferromagnetism, "överensstämmer med förutsägelser från en decennier gammal modell som används för att förstå hur supraledning uppstår i vissa material. Resultaten publicerades i tidskriften Vetenskap .
"Ingen har observerat denna typ av beteende i detta system tidigare, "sa Waseem Bakr, biträdande professor i fysik vid Princeton University. "Vi använde lasrar för att skapa konstgjorda kristaller och undersökte sedan vad som händer i mikroskopisk detalj, vilket är något du bara inte kan göra i ett vardagsmaterial. "
Experimentet, utförs på en bordsskiva i Princetons Jadwin Hall, möjliggör utforskning av en modell som beskriver hur kvantbeteenden ger upphov till supraledning, ett tillstånd där ström kan flöda utan motstånd och som är uppskattat för elöverföring och kraftfulla elektromagneter. Medan grunden för konventionell supraledning förstås, forskare undersöker fortfarande teorin om högtemperatursupraledning i kopparbaserade material som kallas kuprater.
På grund av kupraternas komplexitet, det är svårt för forskare att studera dem direkt för att ta reda på vilka egenskaper som leder till förmågan att leda ström utan motstånd. Istället, genom att bygga en syntetisk kristall med hjälp av lasrar och ultrakalla atomer, forskarna kan ställa frågor som annars är omöjliga att ta upp.
Bakr och hans team kylde litiumatomer till bara några tiotals miljarder grader över absolut noll, en temperatur där atomerna följer kvantfysikens lagar. Forskarna använde lasrar för att skapa ett rutnät för att fånga de ultrakylda atomerna på plats. Rutnätet, känd som ett optiskt gitter, kan ses som en virtuell äggbricka helt skapad av laserljus där atomer kan hoppa från en brunn till nästa.
Teamet använde upplägget för att titta på samspelet mellan enskilda atomer, som kan bete sig på ett sätt som är analogt med små magneter på grund av en kvantegenskap som kallas spin. Varje atom kan rotera antingen uppåt eller nedåt. Om två atomer landar på samma plats, de upplever en stark frånstötande interaktion och sprider sig så att det bara finns en atom i varje brunn. Atomer i närliggande brunnar i äggbrickan tenderar att ha sina snurr inriktade motsatta varandra.
Ett team under ledning av forskare vid Princeton University manipulerade rotationen hos enskilda atomer vid mycket låga temperaturer med hjälp av starka magnetfält. De upptäckte ett märkligt beteende som kallas "canted antiferromagnetism" där snurrarna föredrar att rikta in sig i ett tvådimensionellt plan i rät vinkel mot fältet. Beteendet förutses av en modell som används för att beskriva hur högtemperatur superledare fungerar. Kredit:Peter Brown, Princeton Universitet.
Denna effekt, kallas antiferromagnetism, sker vid mycket låga temperaturer på grund av det kalla systemets kvantitet. När de två typerna av spinnpopulationer är ungefär lika, snurren kan rotera åt vilket håll som helst så länge angränsande snurr förblir anti-inriktade.
När forskarna applicerade ett starkt magnetfält på atomerna, de såg något nyfiket. Med hjälp av ett högupplöst mikroskop som kan avbilda enskilda atomer på gitterplatserna, Princeton -teamet studerade förändringen i atomernas magnetiska korrelationer med fältets styrka. I närvaro av ett stort fält, angränsande snurr förblev anti-inriktade men orienterade sig i ett plan i rät vinkel mot fältet. Ta en närmare titt, forskarna såg att de motsatta inriktade atomerna lutade något i fältets riktning så att magneterna fortfarande var motsatt riktade men inte var exakt inriktade i det plana planet.
Spinnkorrelationer hade observerats förra året i experiment vid Harvard, Massachusetts Institute of Technology, och Ludwig Maximilian University of München. Men Princeton-studien är den första som applicerar ett starkt fält på atomerna och observerar den kantade antiferromagneten.
Observationerna förutsades av Fermi-Hubbard-modellen, skapad för att förklara hur kuprater kan vara superledande vid relativt höga temperaturer. Fermi-Hubbard-modellen utvecklades av Philip Anderson, Princetons Joseph Henry professor i fysik, Emeritus, som vann ett Nobelpris i fysik 1977 för sitt arbete med teoretiska undersökningar av elektronisk struktur hos magnetiska och störda system.
"Att bättre förstå Fermi-Hubbard-modellen kan hjälpa forskare att designa liknande material med förbättrade egenskaper som kan bära ström utan motstånd, "Sa Bakr.
Studien tittade också på vad som skulle hända om några av atomerna i äggbrickan togs bort, införa hål i gallret. Forskarna fann att när magnetfältet applicerades, svaret överensstämde med mätningar gjorda på kuprater. "Detta är mer bevis på att den föreslagna Fermi-Hubbard-modellen förmodligen är rätt modell för att beskriva vad vi ser i materialen, " sa Bakr.
Princeton-teamet inkluderade doktoranden Peter Brown, som genomförde många av experimenten och är tidningens första författare. Ytterligare bidrag till experimenten kom från Debayan Mitra och Elmer Guardado-Sanchez, båda doktorander i fysik, Peter Schauss, en associerad forskare i fysik, och Stanimir Kondov, en tidigare postdoktoral forskare som nu är vid Columbia University.
Studien inkluderade bidrag till förståelsen av teorin från Ehsan Khatami från San José State University, Thereza Paiva vid Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi vid Ohio State University, och David Huse, Princetons Cyrus Fogg Brackett professor i fysik.
