Forskare vid Dartmouth College har byggt världens första superfluidkrets som använder par av ultrakalla elektronliknande atomer, enligt en studie publicerad i Physical Review Letters .

Laboratorietestbädden ger fysiker kontroll över styrkan i interaktioner mellan atomer, vilket ger ett nytt sätt att utforska fenomenen bakom exotiska material som supraledare.

"Mycket av modern teknik kretsar kring att kontrollera flödet av elektroner runt kretsar", säger Kevin Wright, biträdande professor i fysik vid Dartmouth och senior forskare i studien. "Genom att använda elektronliknande atomer kan vi testa teorier på sätt som inte var möjliga tidigare."

Även om ledande material som koppar är välkända, förstår forskarna inte helt hur elektroner rör sig eller kan kontrolleras i exotiska material som topologiska isolatorer och supraledare som kan vara användbara för att bygga kvantdatorer.

Den nya kretsen fungerar som en kvantemulator för att utforska hur elektroner fungerar i verkliga material, och erbjuder ett sätt att analysera elektronernas rörelse i en mycket kontrollerbar miljö.

"Elektroner kan göra saker som är mycket mer konstiga och rika än någon föreställt sig," sa Wright. "Vi lär oss om elektroner utan att använda elektroner."

Atompartiklar är antingen bosoner eller fermioner. Bosoner, som fotoner, tenderar att hopa sig. Fermioner, såsom elektroner, tenderar att undvika varandra. Medan superfluidkretsar som använder ultrakalla bosonliknande atomer redan existerar, är Dartmouth-kretsen den första som använder ultrakalla atomer som fungerar som fermioner.

Kretsen arbetar på isotopen litium-6. Även om litium-6 är en komplett atom, har den egenskaper som gör att den fungerar som en enskild elektron. Beteendet hos den kompletta atomen fungerar som en analog för individuella elektroner.

"Om vi ​​kunde skala egenskaperna hos litium-6-atomer till elektroner, skulle de flyta utan motstånd till och med över rumstemperatur", säger Yanping Cai, den första författaren till uppsatsen som skrev uppsatsen som Dartmouth Ph.D. kandidat. "Att studera dessa enkla kretsar kan ge insikter om supraledning vid hög temperatur."

Laserljus används i den mikroskopiska kretsen för att kyla moln av litiumatomer till temperaturer nära absolut noll. När atomerna har bromsats kan forskarna hålla dem på plats, flytta runt dem eller på annat sätt kontrollera dem på ett sätt som efterliknar hur individuella elektroner strömmar runt supraledande kretsar.

Genom att justera magnetfält kan teamet förändra hur atomerna interagerar, vilket gör att fermionerna attraherar eller stöter bort varandra med varierande styrka, en egenskap som inte är möjlig med enskilda elektroner eller andra superfluidsystem som flytande helium.

Enligt forskarna har lasrar använts i liknande tekniker i andra experiment, men det här är den första atomkretsen som är avstämbar på detta sätt. Lasrarna ger också strukturen på kretsen och upptäcker hur atomerna verkar.

"Vi har passerat tröskeln för att bygga testkretsar med fermioniska kvantgaser," sa Wright. "Att designa och kontrollera atomflödet runt en krets med ultrakalla fermioner på samma sätt som görs i en elektronisk enhet har aldrig åstadkommits tidigare."

Tillvägagångssättet kommer att göra det möjligt för forskare att studera bildandet och sönderfallet av "ihållande strömmar" som flyter på obestämd tid utan energitillförsel.

Förmågan att efterlikna supraledande kretsar skulle kunna öppna stora experimentella möjligheter att testa teorier och analysera material med unika egenskaper. Forskningen skulle kunna skapa möjligheter för utveckling av nya typer av enheter som använder supraledare och andra exotiska kvantmaterial.

Medförfattare till forskningsartikeln inkluderar Dartmouth Ph.D. kandidaterna Daniel Allman och Parth Sabharwal. + Utforska vidare

Fysiker hittar bevis på ett exotiskt tillstånd av materia