Исследование было проведено международной группой физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков и опубликовано в Интернете на этой неделе в журнале Nature. Руководитель группы Рэнди Хьюлет, физик-экспериментатор из Райса, сказал, что эта работа может открыть новые области неизведанной науки.
Прошло почти 30 лет с тех пор, как физики обнаружили, что электроны могут свободно течь через определенные материалы – сверхпроводники – при относительно высоких температурах. Причины такой высокотемпературной или «нетрадиционной» сверхпроводимости до сих пор в значительной степени неизвестны.
Одна из самых многообещающих теорий для объяснения нетрадиционной сверхпроводимости – модель Хаббарда – просто выразить математически, но ее невозможно решить с помощью цифровых компьютеров.
«Модель Хаббарда – это набор математических уравнений, которые могут содержать ключ к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости, но они слишком сложны для решения – даже с помощью самого быстрого суперкомпьютера», – сказал Хьюлет, профессор физики и астрономии Райса Файеза Сарофима. "Вот где мы входим."
Лаборатория Хьюлета специализируется на охлаждении атомов до таких низких температур, что их поведение определяется правилами квантовой механики – теми же правилами, которым следуют электроны, когда они проходят через сверхпроводники.
«Используя наши холодные атомы в качестве замены для электронов и лучей лазерного света, чтобы имитировать кристаллическую решетку в реальном материале, мы смогли смоделировать модель Хаббарда», – сказал Хьюлет. «Когда мы это сделали, мы смогли создать антиферромагнетизм точно так, как предсказывает модель Хаббарда. Это интересно, потому что это первая ультрахолодная атомная система, которая может исследовать модель Хаббарда таким образом, а также потому, что антиферромагнетизм, как известно, существует почти во всех исходных соединениях нетрадиционных сверхпроводников."
Команда Хьюлета – одна из многих, кто стремится использовать ультрахолодные атомные системы для моделирования физики высокотемпературных сверхпроводников.
"Несмотря на 30 лет усилий, людям еще предстоит разработать полную теорию высокотемпературной сверхпроводимости", – сказал Хьюлет. "Настоящие электронные материалы чрезвычайно сложны, с примесями и дефектами решетки, которые трудно полностью контролировать. На самом деле, было настолько сложно изучить явление в этих материалах, что физики до сих пор не знают основных ингредиентов, которые требуются для создания нетрадиционного сверхпроводника, или того, как сделать материал, который сверхпроводится при еще более высоких температурах."
Система Хюлета имитирует реальный электронный материал, но без дефектов решетки или беспорядка.
«Мы считаем, что магнетизм играет роль в этом процессе, и мы знаем, что каждый электрон в этих материалах очень сложным образом коррелирует друг с другом», – сказал он. «С нашими последними открытиями мы подтвердили, что можем охладить нашу систему до такой степени, чтобы мы могли моделировать короткодействующие магнитные корреляции между электронами, когда они начинают развиваться.
«Это важно, потому что наши коллеги-теоретики – их было пятеро в этой статье – смогли использовать математический метод, известный как метод квантового Монте-Карло, чтобы проверить, соответствуют ли наши результаты модели Хаббарда», – сказал Хьюлет. "Это было героическое усилие, и они продвинули свои компьютерные симуляции так далеко, как могли. С этого момента, когда мы станем еще холоднее, мы будем расширять границы известной физики."
Нандини Триведи, профессор физики в Университете штата Огайо, объяснила, что перед ней и ее коллегами из Калифорнийского университета в Дэвисе, которые сформировали теоретическую сторону работы, стояла задача определить, насколько холодными должны быть атомы в эксперименте.
«Некоторые из важных вопросов, которые мы задаем, связаны с новыми способами организации атомов при низких температурах», – сказала она. «Поскольку переход к таким низким температурам является проблемой, теория помогла определить наивысшую температуру, при которой мы могли бы ожидать, что атомы будут упорядочиваться, как в антиферромагнетике."
После того, как в 1980-х годах была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, некоторые физики-теоретики предположили, что лежащая в основе физика может быть объяснена с помощью модели Хаббарда, системы уравнений, изобретенной в начале 1960-х годов физиком Джоном Хаббардом для описания магнитных свойств и свойств проводимости электронов в переходные металлы и оксиды переходных металлов.
У каждого электрона есть «спин», который ведет себя как крошечный магнит.
Ученые 1950-х и 1960-х годов заметили, что спины электронов в переходных металлах и оксидах переходных металлов могут выстраиваться в упорядоченные структуры. Создавая свою модель, Хаббард стремился создать простейшую возможную систему для объяснения того, как электроны в этих материалах реагируют друг на друга.
Модель Хаббарда представляет собой электроны, которые могут перемещаться между узлами упорядоченной сетки или решетки. Каждый узел в решетке представляет ион в кристаллической решетке материала, а поведение электронов определяется всего несколькими переменными.
Во-первых, электронам запрещено делить один энергетический уровень из-за правила, известного как принцип исключения Паули. Во-вторых, электроны отталкиваются друг от друга и должны платить штраф за энергию, когда занимают одно и то же место.
«Модель Хаббарда удивительно просто выразить математически», – сказал Хьюлет. "Но из-за сложности решений мы не можем рассчитать его свойства ни для чего, кроме очень небольшого числа электронов в решетке. Просто существует слишком много квантовой запутанности между степенями свободы системы."
Коррелированное поведение электронов – например, антиферромагнетизм и сверхпроводимость – является результатом обратной связи, поскольку действие каждого электрона вызывает каскад, который затрагивает всех его соседей. Выполнение расчетов становится экспоненциально более затратным по времени по мере увеличения количества сайтов. На сегодняшний день все усилия по компьютерному моделированию двух- и трехмерных моделей Хаббарда связаны с системами, имеющими не более нескольких сотен сайтов.
Из-за этих вычислительных трудностей физикам не удалось определить, содержит ли модель Хаббарда сущность нетрадиционной сверхпроводимости.
Исследования подтвердили, что решения модели проявляют антиферромагнетизм, но неизвестно, обладают ли они также сверхпроводимостью.
В новом исследовании Хьюлет и его коллеги, в том числе доктор наук Рассел Харт и аспирант Педро Дуарте, создали новую экспериментальную технику для охлаждения атомов в своей лаборатории до достаточно низких температур, чтобы начать наблюдение антиферромагнитного порядка в оптической решетке с примерно 100000 узлов.
Этот новый метод приводит к температурам на решетке, которые примерно вдвое меньше, чем в предыдущих экспериментах.
«Стандартный метод – создать холодный атомарный газ, загрузить его в решетку и провести измерения», – сказал Харт. «Мы разработали первый метод испарительного охлаждения атомов, которые уже были загружены в решетку. Этот метод, который использует то, что мы называем «компенсированной оптической решеткой», также помог контролировать плотность образца, что становится критически важным для формирования антиферромагнитного порядка."
Хьюлет сказал, что вторым нововведением было использование командой оптического метода, называемого брэгговским рассеянием, для наблюдения плоскостей симметрии, характерных для антиферромагнитного порядка.
Он сказал, что команде нужно будет разработать совершенно новую технику для измерения парных корреляций электронов, которые вызывают сверхпроводимость. И им также потребуются более холодные образцы, примерно в 10 раз холоднее, чем те, которые используются в текущем исследовании.
"У нас есть кое-что на уме", – сказал Хьюлет. «Я уверен, что мы сможем добиться более низких температур как за счет усовершенствования того, что мы уже сделали, так и за счет разработки новых методов. Наша ближайшая цель – достаточно охладиться, чтобы полностью перейти в антиферромагнитный режим, и оттуда мы надеемся попасть в режим спаривания d-волн и подтвердить, существует ли он в модели Хаббарда."