研究人員第一次看到單個(gè)原子彼此遠(yuǎn)離或成對成對

如果你裝瓶氣體并嘗試使用當(dāng)今最強(qiáng)大的顯微鏡成像原子，你將看到的不僅僅是陰影模糊。原子以閃電般的速度拉鏈，在環(huán)境溫度下難以固定。

然而，如果這些原子陷入極端溫度，它們就會慢慢爬行，科學(xué)家們可以開始研究它們?nèi)绾涡纬善娈惖奈镔|(zhì)狀態(tài)，如超流體，超導(dǎo)體和量子磁體。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)將一個(gè)鉀原子氣體冷卻到幾個(gè)納米骨架 - 只有一個(gè)高于絕對零度的頭發(fā) - 并將原子捕獲在由交叉激光產(chǎn)生的二維光學(xué)晶格片內(nèi)。研究人員使用高分辨率顯微鏡拍攝了位于晶格中的冷卻原子的圖像。

通過觀察數(shù)百個(gè)此類圖像中原子位置之間的相關(guān)性，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)它們在晶格中的位置，觀察到各個(gè)原子以一些相當(dāng)特殊的方式相互作用。一些原子表現(xiàn)出“反社會”行為并且彼此遠(yuǎn)離，而一些原子則以交替的磁性取向聚集在一起。其他人似乎互相捎帶，在空的空間或洞旁邊創(chuàng)造成對的原子。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些空間相關(guān)性可能會揭示超導(dǎo)行為的起源。超導(dǎo)體是非凡的材料，其中電子配對并且在沒有摩擦的情況下行進(jìn)，這意味著在行程中沒有能量損失。如果超導(dǎo)體可以設(shè)計(jì)成在室溫下存在，它們可以為依賴電力的任何東西啟動一個(gè)全新的，非常高效的時(shí)代。

麻省理工學(xué)院NSF Ultracold原子中心及其電子研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)和首席研究員Martin Zwierlein表示，他的團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以幫助科學(xué)家確定誘導(dǎo)超導(dǎo)性的理想條件。

“從這種原子模型中學(xué)習(xí)，我們可以了解這些超導(dǎo)體的真實(shí)情況，以及制造高溫超導(dǎo)體應(yīng)該做些什么，有望接近室溫，”Zwierlein說。

Zwierlein及其同事的研究結(jié)果發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上。共同作者包括麻省理工學(xué)院 - 哈佛大學(xué)超級原子中心，麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)主義者，以及圣何塞州立大學(xué)，俄亥俄州立大學(xué)，里約熱內(nèi)盧大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的兩個(gè)理論小組。

“原子作為電子的替身”

今天，即使使用世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，也不可能模擬高溫超導(dǎo)體的行為，因?yàn)殡娮又g的相互作用非常強(qiáng)。Zwierlein和他的團(tuán)隊(duì)尋求設(shè)計(jì)一種“量子模擬器”，使用氣體中的原子作為超導(dǎo)固體中電子的替身。

該小組的理論依據(jù)是幾個(gè)歷史的推理路線：首先，1925年奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;泡利制定了現(xiàn)在所謂的泡利不相容原理，該原則指出沒有兩個(gè)電子可能占據(jù)相同的量子態(tài) - 如旋轉(zhuǎn)或位置 - 同時(shí)。泡利還假設(shè)電子保持一定的個(gè)人空間領(lǐng)域，被稱為“泡利洞”。

他的理論結(jié)果解釋了元素周期表：電子的不同配置產(chǎn)生特定的元素，使碳原子，例如，不同于氫原子。

物理學(xué)家恩里科費(fèi)米很快意識到，同樣的原理不僅可以應(yīng)用于電子，還可以應(yīng)用于氣體中的原子：原子喜歡保持自身的程度可以定義氣體的可壓縮性等特性。

“他還意識到這些氣體在低溫下會以特殊的方式表現(xiàn)，”Zwierlein說。

英國物理學(xué)家約翰哈伯德隨后將保利的原理納入了一個(gè)現(xiàn)在被稱為費(fèi)米 - 哈伯德模型的理論中，該模型是相互作用原子的最簡單模型，跨越晶格跳躍。今天，該模型被認(rèn)為是解釋超導(dǎo)性的基礎(chǔ)。雖然理論家已經(jīng)能夠使用該模型來計(jì)算超導(dǎo)電子的行為，但他們只能在電子彼此弱相互作用的情況下這樣做。

“這就是為什么我們不了解高溫超導(dǎo)體的一個(gè)重要原因，那里的電子非常強(qiáng)烈地相互作用，”Zwierlein說。“世界上沒有經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出在極低溫度下與電子相互作用會發(fā)生什么。它們的空間相關(guān)性也從未在原位觀察到，因?yàn)闆]有人用顯微鏡來觀察每一個(gè)電子。“

打造個(gè)人空間

Zwierlein的團(tuán)隊(duì)試圖設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)具有原子的Fermi-Hubbard模型，希望看到超冷原子的行為類似于高溫超導(dǎo)體中的電子行為。

該小組之前已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，首先將原子氣體冷卻到接近絕對零度，然后將它們捕獲在激光產(chǎn)生的晶格的二維平面中。在這樣的超冷溫度下，原子減速到足以讓研究人員第一次在圖像中捕獲它們，因?yàn)樗鼈冊诰Ц裆舷嗷プ饔谩?/p>

在晶格的邊緣，氣體更稀釋，研究人員觀察到原子形成泡利孔，在晶格內(nèi)保持一定的個(gè)人空間。

Zwierlein說：“他們?yōu)樽约毫舫隽艘稽c(diǎn)空間，在那里不太可能找到第二個(gè)人。”

在天然氣被壓縮的情況下，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了意想不到的事情：原子更適合擁有近鄰，事實(shí)上非常緊密。這些原子表現(xiàn)出交替的磁取向。

“這些是美麗的反鐵磁相關(guān)性，帶有棋盤圖案 - 向上，向下，向上，向下，”Zwierlein描述道。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些原子經(jīng)常在彼此之上跳躍，在空格子方塊旁邊創(chuàng)建一對原子。Zwierlein說，這讓人想起高溫超導(dǎo)的機(jī)制，其中相鄰晶格點(diǎn)之間共振的電子對可以在沒有摩擦的情況下穿過材料，如果只有適量的空間讓它們通過的話。

最后，他表示，該團(tuán)隊(duì)的氣體實(shí)驗(yàn)可以幫助科學(xué)家確定固體中超導(dǎo)性的理想條件。

Zwierlein解釋說：“對我們來說，這些效應(yīng)發(fā)生在納米開爾文，因?yàn)槲覀冋谑褂孟♂尩脑託怏w。如果你有一塊密集的物質(zhì)，這些效果可能會在室溫下發(fā)生。“

目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠在相當(dāng)于固體中數(shù)百開爾文的氣體中實(shí)現(xiàn)超冷溫度。為了誘導(dǎo)超導(dǎo)性，Zwierlein表示該組織必須將其氣體冷卻另外五倍左右。

“我們還沒有玩過所有的技巧，所以我們認(rèn)為我們可以變得更冷，”他說。