Изучение явления сверхпроводимости

Используя ультрахолодные атомы, исследователи из Гейдельбергского университета обнаружили экзотическое состояние материи, когда составляющие частицы объединяются в пары, если они ограничены двумя измерениями. Выводы из области квантовой физики могут иметь важные признаки интригующих явлений сверхпроводимости. Результаты были опубликованы в Science.

Сверхпроводники - это материалы, через которые электричество может протекать без какого-либо сопротивления, когда они будут охлаждены ниже определенной критической температуры. Технологически наиболее подходящий класс материалов с исключительно высокими критическими температурами для сверхпроводимости до сих пор недостаточно изучен. Однако имеются данные о том, что для того, чтобы наступила сверхпроводимость, определенный тип частиц – фермионы - должны образовывать пары. Кроме того, исследования показали, что материалы, которые становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах, имеют слоистые структуры. «Это означает, что электроны в этих системах могут двигаться только в двумерных плоскостях, - объясняет проф. Селим Йохим (Selim Jochim) из Института физики Гейдельбергского университета, возглавляющий проект. - До сих пор мы не понимали, как взаимодействие пар и размерность может привести к более высоким критическим температурам».

Чтобы исследовать этот вопрос, ученые из Центра квантовой динамики провели эксперименты, в которых они ограничивали газ ультрахолодных атомов в двумерных ловушках, которые они создали с помощью фокусированных лазерных лучей. «В твердых материалах, таких как оксиды меди, существует множество различных эффектов и примесей, которые затрудняют изучение этих материалов. Именно поэтому мы используем ультрахолодные атомы для моделирования поведения электронов в твердых телах, что позволяет нам создавать очень чистые образцы и дает нам полный контроль над основными параметрами системы», - сказал Пунит Мурти (Puneet Murthy), аспирант в Центре квантовой динамики в Гейдельбергском университете и один из ведущих авторов этой публикации.

Используя метод, известный как радиочастотная спектроскопия, исследователи измерили реакцию атомов на радиоволновый импульс. Из их ответа они могли точно определить, спарены ли частицы и каким образом. Эти измерения были также выполнены для фермионов, взаимодействующих с различной силой. В ходе экспериментов исследователи обнаружили экзотическое состояние материи. Теория утверждает, что фермионы со слабым взаимодействием должны спариваться при температуре, при которой они становятся сверхпроводящими. Однако когда ученые увеличили взаимодействие между фермионами, они обнаружили, что спаривание происходит при температурах, в несколько раз превышающих критическую температуру.

«Для достижения нашей конечной цели лучшего понимания этих явлений мы начнем с небольших систем, в которых мы объединяем атомом с атомом», - говорит профессор Йохим. В исследовательский проект также входили ученые из Института теоретической физики Гейдельбергского университета и Университета Симона Фрейзера в Ванкувере (Канада).

В известном и хорошо понятном сценарии объединения электронов в пары обусловлено исключительно притяжением между двумя фермионами (зеленые линии). Однако ученые из Гейдельберга обнаружили, что при сильных взаимодействиях между фермионами происходит различный тип спаривания, который сильно зависит от плотности окружающей среды (серые затененные области). Это говорит о том, что в этом состоянии каждая частица не только связана с одной другой частицей, но что есть дополнительные корреляции с другими частицами в ее окружении

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365