Inom fysiken har forskare fascinerats av det mystiska beteendet hos supraledare - material som kan leda elektricitet med noll motstånd när de kyls till extremt låga temperaturer. Inom dessa supraledande system går elektroner samman i "Cooper-par" eftersom de attraheras av varandra på grund av vibrationer i materialet som kallas fononer.
Som en termodynamisk fas av materia existerar supraledare vanligtvis i ett jämviktstillstånd. Men nyligen blev forskare vid JILA intresserade av att sparka dessa material till upphetsade tillstånd och utforska den efterföljande dynamiken. Som rapporterats i en ny Nature uppsats, teori- och experimentteam från JILA och NIST-stipendiater Ana Maria Rey och James K. Thompson, i samarbete med professor Robert Lewis-Swan vid University of Oklahoma, simulerade supraledning under sådana exciterade förhållanden med hjälp av ett atom-kavitetssystem.
Istället för att ta itu med faktiska supraledande material, utnyttjade forskarna beteendet hos strontiumatomer, laserkylda till 10 miljondelar av en grad över absolut noll och svävade i en optisk hålighet byggd av speglar.
I denna simulator kodades närvaron eller frånvaron av ett Cooper-par i ett tvånivåsystem eller qubit. I denna unika uppställning realiserades fotonförmedlade interaktioner mellan elektroner mellan atomerna i kaviteten.
Tack vare sin simulering observerade forskarna tre distinkta faser av supraledande dynamik, inklusive en sällsynt "Fas III" med ihållande oscillerande beteende som förutspåtts av fysikteoretiker av kondenserad materia men som aldrig tidigare observerats.
Dessa fynd kan bana väg för en djupare förståelse av supraledning och dess kontrollerbarhet, och erbjuda nya vägar för att konstruera unika supraledare. Dessutom lovar det att förbättra koherenstiden för kvantavkänningstillämpningar, som att förbättra känsligheten hos optiska klockor.
JILA-teamet fokuserade på att simulera Barden-Cooper-Schrieffer-modellen, som beskriver Cooper-parets beteende. Som medförfattaren och JILA-studenten Dylan Young sa:"BCS-modellen har funnits sedan 1950-talet och är central för vår förståelse av hur supraledare fungerar. När teoretiker av kondenserad materia började studera supraledares dynamik som inte var i jämvikt, de började naturligtvis med den här modellen."
Under de senaste decennierna har teoretiker av kondenserad materia förutspått tre distinkta dynamiska faser för en supraledare att uppleva när den utvecklas. I fas I sjunker styrkan hos supraledning snabbt till noll. Däremot representerar fas II ett stabilt tillstånd där supraledning bevaras.
Den tidigare oobserverade Fas III är dock den mest spännande. "Tanken med fas III är att styrkan hos supraledning har ihållande svängningar utan dämpning", förklarade JILA doktorand och medförfattare Anjun Chu.
"I fas III-regimen, istället för att undertrycka svängningarna, kan interaktioner med många kroppar leda till en självgenererad periodisk drift till systemet och stabilisera svängningarna. Att observera detta exotiska beteende kräver exakt kontroll av experimentella förhållanden."
För att observera denna svårfångade fas utnyttjade teamet teorisamarbetet från Reys grupp och experiment från Thompsons grupp för att skapa en exakt kontrollerad experimentuppställning, i hopp om att finjustera experimentparametrarna för att uppnå fas III.
Medan forskare tidigare försökt observera fas III i riktiga supraledande system, har mätning av denna fas förblivit svårfångad på grund av tekniska svårigheter. "De hade inte rätt "rattar" eller avläsningsmekanismer," förklarade Young. "Å andra sidan ger vår implementering i ett atom-kavitetssystem oss tillgång till både inställbara kontroller och användbara observerbara objekt för att karakterisera dynamiken."
Byggande på tidigare arbete, fångade forskarna ett moln av strontiumatomer i en optisk hålighet. I denna "kvantsimulator" emulerade atomerna Cooper-par och upplevde en kollektiv interaktion som är parallell med attraktionen som upplevs av elektroner i BCS-supraledare.
"Vi tänker på varje atom som ett Cooper-par," förklarade Young. "En atom i det exciterade tillståndet simulerar närvaron av ett Cooper-par, och grundtillståndet representerar frånvaron av ett. Denna kartläggning är kraftfull eftersom vi som atomfysiker vet hur man manipulerar atomer på sätt som du bara inte kan med Cooper par."
Forskarna tillämpade denna kunskap för att inducera olika faser av dynamik i sin simulering genom en process som kallas "quenching". Som Young sa, "Quenching är när vi plötsligt ändrar eller "sparkar" vårt system för att se hur det reagerar. I det här fallet förbereder vi våra atomer i detta mycket kollektiva överlagringstillstånd mellan mark och exciterade tillstånd. Sedan inducerar vi en släckning genom att tänder en laserstråle som ger alla atomer olika energier."
Genom att ändra karaktären på denna släckning kunde forskarna se olika dynamiska faser. De kom till och med på ett knep för att observera den svårfångade Fas III, som innebar att dela molnet av atomer på mitten. "Att använda två moln av atomer med separat kontroll över energiskiften är nyckelidén för att uppnå fas III," anmärkte Chu.
I supraledare kan energinivåer av elektroner delas upp i två sektorer, till stor del upptagna eller knappt upptagna, åtskilda av Fermi-nivån. "Vår uppsättning i spinnsystem har inte en Fermi-nivå i sig, så vi tar hänsyn till detta med två atommoln:ett moln simulerar tillstånden under Fermi-nivån, medan ett annat moln simulerar de andra [kvant]tillstånden," tillade Chu.
För att mäta dynamiken hos supraledaren i kaviteten spårade forskarna ljuset som läckte från den optiska kaviteten i realtid. Deras data hittade distinkta punkter där den simulerade supraledaren övergick mellan faser och så småningom nådde fas III.
Att se de första mätningarna av fas III överraskade många i teamet. Som Thompson sa, "Det var faktiskt extremt tillfredsställande att se vickorna." För sin del i samarbetet var Rey lika exalterad över att se teorin och experimentet passa ihop.
"På teorisidan kunde BCS-superfluider/supraledare i princip observeras i faktiska degenererade fermioniska gaser, som de som Debbie Jin på JILA lärde oss att skapa. Det har dock varit svårt att observera de dynamiska faserna i dessa Vi förutspådde redan 2021 att alla BCS dynamiska faser i stället kunde manifestera sig i ett atom-kavitetsexperiment. Det var så trevligt att se våra teoriförutsägelser bli verklighet och faktiskt observera de dynamiska faserna i ett riktigt experiment.
Samtidigt som att observera fas III i deras system var en betydande prestation, fann teamet också att de uppmätta beteendena kunde ha bredare implikationer utöver supraledning. Som Thompson utvecklade, "När det gäller den underliggande modellen som du använder för att beskriva den, visar det sig att denna BCS-modell har alla dessa kopplingar till olika typer av fysik på olika energiskalor, temperaturskalor och tidsskalor, från supraledare till neutronstjärnor till kvantsensorer."
Rey tillade, "Dessa observationer öppnar verkligen en väg för att simulera okonventionella supraledare med fascinerande topologiska egenskaper för att realisera robusta kvantdatorer. Det kommer att bli fantastiskt att emulera även leksaksmodeller av dessa komplexa system i vår atom-kavitets kvantsimulator."
Mer information: Att observera dynamiska faser av BCS-supraledare i en kavitets QED-simulator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x , www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av JILA
