חוקרים צפו בשלבים הדינמיים של אינטראקציות מוליכים BCS ב-Cavity QED על ידי מדידת דליפת האור מהחלל. קרדיט: Steven Burrows/Rey and Thompson Groups
חוקרים ב-JILA דימו מוליכות-על באטומי סטרונציום בתוך חלל אופטי כדי לצפות בשלבים דינמיים נדירים, כולל שלב III החמקמק, שיש לו השלכות על הפיזיקה הקוונטית ופיתוח טכנולוגיה.
בפיזיקה, מדענים הוקסמו מההתנהגות המסתורית של מוליכים-על – חומרים שיכולים להוליך חשמל בהתנגדות אפסית כשהם מקוררים לטמפרטורות נמוכות במיוחד. בתוך מערכות מוליכות-על אלו, אלקטרונים מתאחדים ב"זוגות קופר" מכיוון שהם נמשכים זה לזה עקב רעידות בחומר הנקרא פונונים.
כשלב תרמודינמי של חומר, מוליכים בדרך כלל קיימים במצב שיווי משקל. אבל לאחרונה, חוקרים ב-JILA החלו להתעניין בבעיטה של חומרים אלה למצבים נרגשים ולחקור את הדינמיקה שלאחר מכן. כפי שדווח בחדשה טֶבַע במאמר, צוותי התיאוריה והניסויים של עמיתי JILA ו-NIST אנה מריה ריי וג'יימס ק. תומפסון, בשיתוף עם פרופ' רוברט לואיס-סוואן מאוניברסיטת אוקלהומה, דימו מוליכות-על בתנאים נרגשים כל כך באמצעות אָטוֹם-מערכת חללים.
במקום להתמודד עם חומרים מוליכים ממשיים, המדענים רתמו את ההתנהגות של אטומי סטרונציום, מקוררים בלייזר עד 10 מיליוניות המעלה אפס מוחלט ומרחף בתוך חלל אופטי הבנוי ממראות. בסימולטור זה, נוכחות או היעדרו של זוג קופר קודד במערכת דו-מפלסית או קיוביט. במערך הייחודי הזה, פוטון– אינטראקציות מתווכות בין אלקטרונים התממשו בין האטומים בתוך החלל.
הודות לסימולציה שלהם, החוקרים צפו בשלושה שלבים נפרדים של דינמיקה של מוליכות-על, כולל "שלב III" נדיר המציג התנהגות נדנודה מתמשכת שנחזה על ידי תיאורטיקנים של פיזיקת החומר המעובה אך מעולם לא נצפה קודם לכן.
ממצאים אלו יכולים לסלול את הדרך להבנה מעמיקה יותר של מוליכות-על ויכולת השליטה שלה, ולהציע אפיקים חדשים להנדסת מוליכים ייחודיים. יתר על כן, יש בו הבטחה לשיפור זמן הקוהרנטיות עבור יישומי חישה קוונטית, כגון שיפור הרגישות של שעונים אופטיים.
זיהוי שלבי מוליכות על
צוות JILA התמקד בהדמיית מודל ברדן-קופר-שריפר, המתאר את התנהגות צמד קופר. כפי שהוסיף הסופר הראשון והסטודנט לתואר שני ב-JILA דילן יאנג: "מודל ה-BCS קיים מאז שנות ה-50 והוא מרכזי בהבנתנו כיצד פועלים מוליכים. כאשר תיאורטיקנים של חומר מעובה החלו לחקור את הדינמיקה מחוץ לשיווי משקל של מוליכים, הם התחילו באופן טבעי עם המודל הזה".
בעשורים האחרונים, תיאורטיקנים של חומר מעובה חזו שלושה שלבים דינמיים ברורים שמוליך-על יחווה כאשר הוא מתפתח. בשלב I, חוזקה של מוליכות-על פוחתת במהירות לאפס. לעומת זאת, שלב II מייצג מצב יציב בו נשמרת מוליכות-על.
עם זאת, השלב השלישי שלא נצפה בעבר הוא המסקרן ביותר. "הרעיון של שלב III הוא שלחוזק המוליכות העל יש תנודות מתמשכות ללא שיכוך", הסביר סטודנט לתואר שני ב-JILA והסופר הראשון Anjun Chu. "במשטר שלב III, במקום לדכא את התנודות, אינטראקציות בין גוף רבות יכולות להוביל לנהיגה תקופתית שנוצרת בעצמה למערכת ולייצב את התנודות. התבוננות בהתנהגות האקזוטית הזו דורשת שליטה מדויקת בתנאי הניסוי".
כדי לצפות בשלב החמקמק הזה, הצוות מינף את שיתוף הפעולה של התיאוריה מהקבוצה של ריי ושל הניסוי מהקבוצה של תומפסון כדי ליצור מערך ניסוי מבוקר במדויק, בתקווה לכוונן את הפרמטרים הניסויים כדי להגיע לשלב III.
יצירת הדמיות מדויקות בהגדרת חלל
בעוד שחוקרים ניסו בעבר לצפות בשלב III במערכות מוליכות-על אמיתיות, מדידת שלב זה נותרה חמקמקה עקב קשיים טכניים. "לא היו להם את ה'ידיות' או מנגנוני הקריאה הנכונים", הסביר יאנג. "מצד שני, היישום שלנו במערכת חלל אטום נותן לנו גישה גם לפקדים הניתנים לכוונון וגם לצפייה שימושית כדי לאפיין את הדינמיקה."
בהתבסס על עבודה קודמת, החוקרים לכדו ענן של אטומי סטרונציום בתוך חלל אופטי. ב"סימולטור קוונטי" זה, האטומים חיקו צמדי קופר וחוו אינטראקציה קולקטיבית המקבילה למשיכה שחווים אלקטרונים במוליכי-על של BCS. "אנחנו חושבים על כל אטום כמייצג זוג קופר", הסביר יאנג. "אטום במצב נרגש מדמה נוכחות של זוג קופר, ומצב הקרקע מייצג את היעדר אחד. המיפוי הזה הוא רב עוצמה מכיוון שכפיזיקאים אטומיים, אנחנו יודעים לתמרן אטומים בדרכים שאתה פשוט לא יכול עם זוגות קופר".
החוקרים יישמו את הידע הזה כדי לגרום לשלבים שונים של דינמיקה בסימולציה שלהם על ידי תהליך המכונה "מרווה". כפי שהרחיב יאנג: "המרווה הוא כאשר אנו פתאום משנים או 'בועטים' במערכת שלנו כדי לראות איך היא מגיבה. במקרה זה, אנו מכינים את האטומים שלנו במצב סופרפוזיציה קולקטיבית מאוד זו בין מצבי קרקע ונרגשים. לאחר מכן, אנו גורמים לכיבוי על ידי הפעלת קרן לייזר שנותנת לכל האטומים אנרגיות שונות."
על ידי שינוי האופי של הרווה זה, החוקרים יכלו לראות שלבים דינמיים שונים. הם אפילו המציאו טריק כדי לצפות בשלב השלישי החמקמק, שכלל פיצול ענן האטומים לשניים. "שימוש בשני ענני אטומים עם שליטה נפרדת בשינויי אנרגיה הוא רעיון המפתח להשגת שלב III", העיר צ'ו.
במוליכי-על, ניתן לפצל את רמות האנרגיה של אלקטרונים לשני סקטורים, תפוסים במידה רבה או בקושי תפוסים, מופרדים על ידי רמת הפרמי. "להתקנה שלנו במערכות ספין אין רמת פרמי באופן מהותי, אז אנחנו לוקחים זאת בחשבון באמצעות שני עננים אטומיים: ענן אחד מדמה את המצבים מתחת לרמת פרמי, בעוד ענן אחר מדמה את המצבים האחרים (קוונטיים), "הוסיף צ'ו.
כדי למדוד את הדינמיקה של מוליך העל בתוך החלל, החוקרים עקבו אחר האור הדולף מהחלל האופטי בזמן אמת. הנתונים שלהם מצאו נקודות שונות שבהן מוליך העל המדומה עבר בין שלבים, ולבסוף הגיע לשלב III.
לראות את המדידות הראשונות של שלב III הפתיע רבים מהצוות. כפי שאמר תומפסון: "למעשה לראות את ההתנועעות היה מספק ביותר." מצדה בשיתוף הפעולה, ריי התרגשה באותה מידה לראות את התיאוריה והניסוי מתאימים. "בצד התיאורטי, ניתן לראות, באופן עקרוני, נוזלי-על/מוליכים של BCS בגזים פרמיוניים מנוונים בפועל, כמו אלה שדבי ג'ין ב-JILA לימדה אותנו כיצד ליצור. עם זאת, קשה היה לצפות בשלבים הדינמיים במערכות אלו. חזינו עוד ב-2021 שכל השלבים הדינמיים של BCS יכולים להתבטא במקום זאת בניסוי חלל אטום. זה היה כל כך נחמד לראות את תחזיות התיאוריה שלנו הופכות למציאות ולמעשה לצפות בשלבים הדינמיים בניסוי אמיתי!"
פיזיקה בסיסית עם יישומים רחבים יותר
בעוד שהתבוננות בשלב III במערכת שלהם הייתה הישג משמעותי, הצוות גם מצא שלהתנהגויות הנמדדות יכולות להיות השלכות רחבות יותר מעבר למוליכות-על. כפי שהרחיב תומפסון, "במונחים של המודל הבסיסי שבו אתה משתמש כדי לתאר אותו, מסתבר שלמודל ה-BCS הזה יש את כל הקשרים האלה לסוגים שונים של פיזיקה בסקאלות אנרגיה, סולמות טמפרטורה וזמני זמן שונים, ממוליכי-על ועד לכוכבי נויטרונים. לחיישנים קוונטיים!"
ריי הוסיף: "תצפיות אלו באמת פותחות נתיב לדמות מוליכים לא שגרתיים בעלי תכונות טופולוגיות מרתקות למימוש מחשבים קוונטיים חזקים. זה יהיה פנטסטי לחקות אפילו דגמי צעצוע של המערכות המורכבות האלה בסימולטור הקוונטי-אטום-חלל שלנו".
למידע נוסף על מחקר זה, ראה סטרונציום פותח סודות קוונטיים של מוליכות-על.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מאיץ המערכות הקוונטיות, חלק ממשרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, מרכזי המחקר הלאומיים למדעי המידע הקוונטי.
