Квантовый симулятор позволяет впервые микроскопически наблюдать спаривание носителей заряда

Используя квантовый симулятор, исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) наблюдали пары носителей заряда, которые могут быть ответственны за перенос электрического тока без сопротивления в высокотемпературных сверхпроводниках. До сих пор точные физические механизмы в этих сложных материалах по большей части неизвестны.

Теории предполагают, что причина образования пар и, следовательно, явления сверхпроводимости кроется в магнитных силах. Команда из Гархинга впервые смогла продемонстрировать пары, сформированные таким образом. Их эксперимент был основан на решетчатом расположении холодных атомов, а также на хитроумном подавлении движения свободных носителей заряда. Исследователи сообщают о своих результатах в журнале Природа.

С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников почти 40 лет назад ученые пытались отследить их фундаментальные квантово-физические механизмы. Но сложные материалы по-прежнему таят в себе загадки. Новые результаты, полученные группой из отдела квантовых систем многих тел в MPQ в Гархинге, теперь дают новое микроскопическое представление о процессах, которые могут лежать в основе этих так называемых нетрадиционных сверхпроводников.

Решающим для любого вида сверхпроводимости является образование тесно связанных пар носителей заряда — электронов или дырок, как называются электронные вакансии. «Причина этого кроется в квантовой механике», — объясняет физик MPQ Сара Хирте. Каждый электрон или дырка несет полуцелый спин — квантовую физическую величину, которую можно представить как меру внутреннего вращения частицы. У атомов тоже есть спин. Однако по квантово-статистическим причинам только частицы с целым спином могут двигаться через кристаллическую решетку без сопротивления при определенных условиях. «Поэтому для этого электроны или дырки должны соединиться», — говорит Хирте.

В обычных сверхпроводниках спариванию помогают колебания решетки, называемые фононами. С другой стороны, в нетрадиционных сверхпроводниках работает другой механизм, но вопрос о том, какой именно, до сих пор оставался без ответа. «В широко распространенной теории непрямые магнитные силы играют решающую роль», — сообщает Сара Хирте. «Но пока это не может быть подтверждено экспериментами».

Твердотельная модель с шипами и отверстиями

Чтобы лучше понять процессы в таких материалах, исследователи использовали квантовый симулятор: своего рода квантовый компьютер, воссоздающий физические системы. Для этого они расположили ультрахолодные атомы в вакууме с помощью лазерного излучения таким образом, чтобы они имитировали электроны в упрощенной твердотельной модели. При этом спины атомов располагались с переменным направлением: создавалась антиферромагнитная структура, характерная для многих высокотемпературных сверхпроводников, — и стабилизировалась магнитными взаимодействиями. Затем команда доработала эту модель, уменьшив количество атомов в системе. Таким образом, в решетчатой ​​структуре образовались дыры.

Команда MPQ теперь может показать, что магнитные силы действительно приводят к парам. Для этого они использовали экспериментальный трюк. «Движущиеся носители заряда в таком материале, как высокотемпературные сверхпроводники, подвержены конкуренции различных сил», — объясняет Хирте.

С одной стороны, у них есть стремление распространяться, т. е. быть везде одновременно. Это дает им энергетическое преимущество. С другой стороны, магнитные взаимодействия обеспечивают регулярное расположение спиновых состояний атомов, электронов и дырок и, по-видимому, также образование пар носителей заряда. Однако «конкуренция сил до сих пор мешала нам наблюдать такие пары под микроскопом», — говорит Тимон Хилкер, руководитель исследовательской группы. «Вот почему у нас возникла идея предотвратить разрушительное движение носителей заряда в одном пространственном направлении».

Внимательный взгляд через квантовый газовый микроскоп

Таким образом, магнитные силы были в значительной степени невозмущенными. Результат: близко подошедшие друг к другу отверстия образовали ожидаемые пары. Чтобы наблюдать такое спаривание, команда использовала квантовый газовый микроскоп — устройство, с помощью которого можно детально отслеживать квантово-механические процессы. Были обнаружены не только пары отверстий, но также наблюдалось относительное расположение пар, что предполагает наличие сил отталкивания между ними. Команда сообщает о своей работе в научном журнале Природа.

«Результаты подтверждают идею о том, что потеря электрического сопротивления в нетрадиционных сверхпроводниках вызвана магнитными силами», — говорит профессор Иммануэль Блох, директор MPQ и руководитель отдела квантовых систем многих тел. «Это приводит к лучшему пониманию этих необычных материалов и показывает новый способ образования стабильных пар дырок даже при очень высоких температурах, потенциально значительно увеличивая критическую температуру сверхпроводников».

Исследователи из Института квантовой оптики имени Макса Планка теперь планируют новые эксперименты на более сложных моделях, в которых соединены большие двумерные массивы атомов. Мы надеемся, что такие более крупные системы создадут больше пар дырок и позволят наблюдать за их движением через решетку: перенос электрического тока без сопротивления из-за сверхпроводимости.