Högtemperatur superledare har potential att omvandla allt från elöverföring och kraftproduktion till transport.

Materialen, där elektronpar reser utan friktion - vilket betyder att ingen energi går förlorad när de rör sig - kan dramatiskt förbättra energieffektiviteten hos elektriska system.

Att förstå hur elektroner rör sig genom dessa komplexa material kan i slutändan hjälpa forskare att designa superledare som arbetar vid rumstemperatur, utökar deras användning dramatiskt.

Dock, trots årtionden av forskning, lite är känt om det komplexa samspelet mellan elektronernas centrifugering och laddning i supraledande material som koppar, eller material som innehåller koppar.

Nu, i ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap , forskare vid MIT har presenterat ett nytt system där ultrakylda atomer används som modell för elektroner i supraledande material.

Forskarna, ledd av Martin Zwierlein, Thomas A. Frank professor i fysik vid MIT, har använt systemet, som de beskriver som en "kvantemulator, "för att inse Fermi-Hubbard-modellen för partiklar som interagerar inom ett gitter.

Fermi-Hubbard-modellen, som antas förklara grunden för högtemperatur supraledning, är extremt enkel att beskriva, och ändå har visat sig omöjligt att lösa, enligt Zwierlein.

"Modellen är bara atomer eller elektroner som hoppar runt på ett galler, och då, när de ligger ovanpå varandra på samma gitterplats, de kan interagera, "säger han." Men även om detta är den enklaste modellen för elektroner som interagerar inom dessa material, det finns ingen dator i världen som kan lösa det. "

Så istället, forskarna har byggt en fysisk emulator där atomer fungerar som stand-ins för elektronerna.

För att bygga sin kvantemulator, forskarna använde laserstrålar som stör varandra för att producera en kristallin struktur. De begränsade sedan cirka 400 atomer inom detta optiska gitter, i en fyrkantig låda.

När de lutar lådan genom att applicera en magnetfältgradient, de kan observera atomerna när de rör sig, och mäta deras hastighet, att ge dem konduktivitet för materialet, Säger Zwierlein.

"Det är en underbar plattform. Vi kan titta på varje atom individuellt när den rör sig runt, vilket är unikt; vi kan inte göra det med elektroner, "säger han." Med elektroner kan du bara mäta genomsnittliga mängder. "

Emulatorn tillåter forskarna att mäta transporten, eller rörelse, av atomernas snurr, och hur detta påverkas av interaktionen mellan atomer i materialet. Att mäta transporten av spinn har inte varit möjligt i cuprates förrän nu, eftersom ansträngningar har hämmats av föroreningar i materialen och andra komplikationer, Säger Zwierlein.

Genom att mäta rotationen av snurr, forskarna kunde undersöka hur det skiljer sig från det avgiftsbelagda.

Eftersom elektroner bär både sin laddning och snurrar med sig när de rör sig genom ett material, rörelsen för de två egenskaperna bör i huvudsak låsas ihop, Säger Zwierlein.

Dock, forskningen visar att så inte är fallet.

"Vi visar att snurr kan diffundera mycket långsammare än laddning i vårt system, " han säger.

Forskarna studerade sedan hur styrkan i interaktionerna mellan atomer påverkar hur väl snurr kan flyta, enligt MIT -doktoranden Matthew Nichols, huvudförfattaren till tidningen.

"Vi fann att stora interaktioner kan begränsa de tillgängliga mekanismerna som gör att snurr kan röra sig i systemet, så att centrifugeringsflödet avtar betydligt när interaktionerna mellan atomer ökar, Säger Nichols.

När de jämförde sina experimentella mätningar med toppmoderna teoretiska beräkningar utförda på en klassisk dator, de fann att de starka interaktioner som finns i systemet gjorde exakta numeriska beräkningar mycket svåra.

"Detta visade styrkan hos vårt ultrakylda atomsystem att simulera aspekter av ett annat kvantsystem, de cuprate materialen, och att överträffa vad som kan göras med en klassisk dator, Säger Nichols.

Transportegenskaper i starkt korrelerade material är i allmänhet mycket svåra att beräkna med klassiska datorer, och några av de mest intressanta, och praktiskt relevant, material som högtemperatur superledare är fortfarande dåligt förstådda, säger Zoran Hadzibabic, professor i fysik vid Cambridge University, som inte var inblandad i forskningen.

"(Forskarna) studerar spinntransport, vilket inte bara är svårt att beräkna, men även experimentellt extremt svårt att studera i konventionella starkt korrelerade material, och därmed ge en unik inblick i skillnaderna mellan laddning och spinntransport, "Säger Hadzibabic.

Kompletterar MIT:s arbete med spinntransport, transporten av mätningar mättes av professor Waseem Bakrs grupp vid Princeton University, belyser i samma nummer av Vetenskap hur laddningskonduktivitet beror på temperaturen.

MIT -teamet hoppas kunna utföra ytterligare experiment med kvantemulator. Till exempel, eftersom systemet tillåter forskarna att studera rörelsen av enskilda atomer, de hoppas kunna undersöka hur varje rörelse skiljer sig från genomsnittet, för att studera nuvarande "brus" på atomnivå.

"Hittills har vi mätt den genomsnittliga strömmen, men vad vi också skulle vilja göra är att titta på bullret från partiklarnas rörelse; vissa är lite snabbare än andra, så det finns en hel fördelning som vi kan lära oss om, "Säger Zwierlein.

Forskarna hoppas också kunna studera hur transporten förändras med dimensionalitet genom att gå från ett tvådimensionellt ark med atomer till en endimensionell tråd.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.