原子可為探測高溫超導體的系統提供電子？

高溫超導體有潛力改變從電力傳輸、發電到運輸的一切。電子對在這種材料中運動時沒有摩擦，也就是說運動時沒有能量損失，這種材料可以極大地提高電力系統的能源效率。了解電子如何在這些複雜材料中運動，最終將有助於研究人員設計出在室溫下工作的超導體，從而極大地擴大其用途。然而儘管進行了幾十年的研究，對於銅酸鹽等超導材料或含銅材料中自旋與電子電荷之間的複雜相互作用卻知之甚少。如今在《科學》(Science)上發表的一篇論文中，麻省理工學院(MIT)的研究人員公布了一種新系統，利用超冷原子作為超導材料中電子的模型。由麻省理工學院(MIT)托馬斯a弗蘭克(Thomas a . Frank)物理學教授馬丁

博科園-科學科普：費米-哈伯德模型被認為解釋了高溫超導的基礎，它非常容易描述，但到目前為止被證明是不可能解決的。這個模型只是原子或電子在晶格上跳躍，然後當它們在相同的晶格位置上相互重疊時，它們就可以相互作用。但即使這是電子在這些材料中相互作用的最簡單模型，世界上也沒有計算機能夠解決它。因此研究人員構建了一個物理模擬器，其中原子充當電子的替身。

為了構建量子模擬器，研究人員使用相互干擾的激光束來產生晶體結構。然後他們把大約400個原子限制在這個光學格子里，在一個正方形的盒子里。當他們通過施加磁場梯度使盒子傾斜時，他們能夠觀察原子的運動，並測量它們的速度，從而獲得材料的導電性。

原子就像小磁鐵，所以施加磁力把它們推到左邊(左上角)。由於這些原子相互排斥，如果沒有空的位置(中間上部)，它們就不能移動。但是原子「磁針」仍然可以自由移動，較強的磁體(紅色)擴散到圖像的左邊，較弱的磁體(藍色)必須留出空間並移動到右邊(底部一行)。這種所謂的自旋輸運是在冷原子量子模擬器中一個原子一個原子地解決。圖片： Massachusetts Institute of Technology

這是一個很棒的平台，可以單獨觀察每個原子的運動，這是唯一不能用電子做到這一點，電子只能測量平均量。模擬器可以讓研究人員測量原子自旋的傳輸或運動，以及原子之間在材料中的相互作用如何影響自旋。在銅酸鹽中測量自旋的輸運到目前為止是不可能的，因為材料中的雜質和其他併發症阻礙了這項工作。通過測量自旋的運動，研究人員能夠研究它與電荷的不同。由於電子在穿過材料時攜帶電荷並自旋，這兩種性質的運動本質上應該是鎖定在一起的。然而，研究表明事實並非如此。研究證明，在系統中自旋的擴散速度要比電荷慢得多。根據麻省理工學院研究生馬修·尼科爾斯(Matthew Nichols)所說：研究人員隨後研究了原子之間相互作用的強度如何影響自旋的流動。

尼科爾斯是這篇論文的第一作者。尼科爾斯說：我們發現，大的相互作用會限制現有的機制，這些機制允許自旋在系統中移動，因此，隨著原子之間相互作用的增加，自旋流顯著減慢。」當他們將實驗測量結果與在經典計算機上進行的最先進的理論計算進行比較時，他們發現系統中存在的強相互作用使得精確的數值計算非常困難。這證明了我們的超冷原子系統在模擬另一個量子系統銅酸鹽材料方面的強度，並且比經典計算機所能做的還要好。(研究人員)研究的是自旋輸運，這不僅很難計算，而且在傳統的強相關材料中，甚至在實驗上也極其難以研究，從而為電荷和自旋輸運之間的區別提供了獨特的見解。

作為麻省理工學院自旋輸運研究的補充，普林斯頓大學Waseem Bakr教授的團隊測量了電荷的輸運，並在同一期《科學》上闡明了電荷導電性如何依賴於溫度。MIT團隊希望使用量子模擬器進行進一步的實驗。例如由於該系統允許研究人員研究單個原子的運動，他們希望研究每個原子的運動與平均原子的運動有何不同，從而在原子水平上研究當前的「雜訊」。到目前為止已經測量了平均電流，但研究人員還想做的是觀察粒子運動的噪音;有些速度稍快一些，所以我們可以了解整個分布。研究人員還希望通過研究從二維原子到一維導線的傳輸是如何隨維數變化。

博科園-科學科普｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊文獻 :《Science》

DOI: 10.1126/science.aat4134

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