סטרונציום פותח את הסודות הקוונטיים של מוליכות-על

מוליכות-על גורמת לפיזיקה להיראות כמו קסם. בטמפרטורות קרות, חומרים מוליכים-על מאפשרים לחשמל לזרום ללא הגבלת זמן תוך הוצאת שדות מגנטיים מבחוץ, מה שגורם להם לרחף מעל מגנטים. מכשירי MRI, רכבות מגלב ומאיצי חלקיקים עתירי אנרגיה משתמשים במוליכות-על, שגם ממלאת תפקיד מכריע ב מחשוב קוונטי, חיישנים קוונטיים ומדע מדידה קוונטית. יום אחד, רשתות חשמליות מוליכות עשויות לספק כוח ביעילות חסרת תקדים.

אתגרים עם מוליכים

עם זאת, למדענים אין שליטה מלאה על מוליכים קונבנציונליים. חומרים מוצקים אלה מורכבים לעתים קרובות מסוגים רבים של אטומים במבנים מסובכים שקשה לתמרן במעבדה. קשה עוד יותר ללמוד מה קורה כאשר יש שינוי פתאומי, כגון עלייה בטמפרטורה או בלחץ, שמוציא את המוליך משיווי משקל.

תורת הקוונטים חזה התנהגויות מסקרנות כאשר מוליך-על מונע משיווי משקל. עם זאת, זה היה מאתגר להפריע לחומרים אלה במעבדה מבלי לשבש את תכונות המוליכות העל העדינות שלהם, ולהשאיר את התחזיות הללו ללא בדיקה.

המחקר החדשני של JILA

עם זאת, מדענים יכולים להשיג תובנות עמוקות באופן מפתיע לגבי מוליכות-על על ידי לימוד זה עם מערכים ניתנים לשליטה מלאה של אטומים בגז. זו הגישה של שיתוף פעולה מחקרי ב-JILA, מכון משותף של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ואוניברסיטת קולורדו בולדר.

בעבודתם האחרונה, חוקרי JILA גרמו לגז של אטומי סטרונציום לפעול כמו מוליך-על. למרות שאטומי הסטרונציום עצמם אינם מוליכים-על, הם פועלים לפי אותם כללים של פיזיקת הקוונטים. החוקרים יכלו לגרום לאטומים בגז לקיים אינטראקציות באופן שמשמר את סוגי האינטראקציות האחראיות על מוליכות-על תוך דיכוי אינטראקציות מתחרות ומורכבות אחרות. על ידי זריקת האטומים משיווי משקל, החוקרים ראו שינויים באינטראקציות האטומיות שישפיעו על תכונותיהם של מוליכים ממשיים.

כאשר גז הסטרונציום שלהם פועל כ"סימולטור קוונטי", החוקרים הצליחו לצפות בהתנהגות של מוליכים על כך שחזו כי קיימת במשך שנים. מחקר זה, שפורסם ב טֶבַע, מציעה תובנה חדשה לגבי האופן שבו מוליכים עובדים כשהם מונעים כראוי משיווי המשקל, ושופכת אור על איך להפוך את המוליכים לחזקים יותר, וכיצד להשתמש בתכונות הייחודיות שלהם בטכנולוגיות קוונטיות אחרות.

'כמה חזקים הם הדברים האלה?'

בחומר רגיל, אלקטרונים נעים בצורה לא קוהרנטית, נתקלים זה בזה ללא הרף; בדרך כלל, אלקטרונים דוחים זה את זה. בזמן שהם נעים, הם מתנגשים, מאבדים אנרגיה ומייצרים חום; זו הסיבה שזרמים חשמליים מתפוגגים כאשר אלקטרונים זורמים בחוט מתכתי. במוליך-על, לעומת זאת, אלקטרונים מתחברים לזוגות מחוברים חלשים, הנקראים זוגות קופר. כאשר זוגות אלו נוצרים, כולם נוטים לנוע באופן קוהרנטי, וזו הסיבה שהם זורמים דרך החומר ללא התנגדות.

הפיזיקה פשוטה במובן מסוים, מסבירה הפיזיקאית התיאורטית אנה מריה ריי, עמיתת NIST ו-JILA. זוגות קופר קיימים במצב של אנרגיה נמוכה, משום שוויברציות במבנה הגבישי של החומר מושכות את האלקטרונים יחד. כאשר נוצרים, זוגות קופר מעדיפים לפעול בצורה קוהרנטית ולהינעל יחד. הזוגות של קופר הם סוג של "חצים" שרוצים ליישר קו באותו כיוון. כדי לפתוח אותם או לגרום לאחד החצים להצביע לאורך כיוון אחר, אתה צריך להוסיף אנרגיה נוספת כדי לשבור את זוגות קופר, מסביר ריי. האנרגיה שאתה צריך להוסיף כדי לפתוח אותם נקראת פער אנרגיה. אינטראקציות חזקות יותר בין האטומים יוצרות פער אנרגיה גדול יותר מכיוון שהמשיכה ששומרת על זוגות קופר נעולים כל כך חזקה. התגברות על פער האנרגיה הזה לוקחת הרבה אנרגיה מהזוגות של קופר. אז פער האנרגיה הזה פועל כחיץ, ומאפשר לזוגות קופר להישאר נעולים בשמחה בשלב.

כל זה עובד כאשר המערכת נמצאת בשיווי משקל. אבל כאשר אתה מציג שינוי פתאומי ומהיר, מוליך-העל נופל משיווי משקל, או הופך ל"כבה". במשך עשרות שנים, מדענים רצו לדעת מה קורה למוליכות-על בעקבות כיבוי שהוא פתאומי אך לא כל כך חזק כדי לשבור לחלוטין את זוגות קופר, אמר הפיזיקאי של JILA ג'יימס תומפסון.

"במילים אחרות, עד כמה הדברים האלה חזקים?" אמר תומפסון.

תיאורטיקנים חזו שלוש אפשרויות או שלבים שונים שיכולים לקרות כאשר מוליך-העל מרוווה. תחשוב על זה כמו קבוצה גדולה של רקדנים מרובעים, אומר תומפסון. בהתחלה כולם מסונכרנים, שומרים על קצב המוזיקה. ואז יש אנשים שמתעייפים קצת או שאחרים מתחילים לנוע קצת מהר מדי, הם מתרסקים אחד בשני, וזה הופך לבור מוש. זה שלב I, כאשר מוליכות-על קורסת. בשלב השני, הרקדנים יורדים מהקצב, אך מצליחים להישאר מסונכרנים. מוליכות-על שורדת את ההרווה. מדענים הצליחו לצפות וללמוד את שני השלבים הללו.

אבל הם מעולם לא ראו שלב שלישי צפוי ארוך, שבו מוליכות העל של המערכת מתנודדת לאורך זמן. בשלב זה, הרקדנים שלנו ינועו קצת יותר מהר או קצת יותר לאט לפעמים, אבל אף אחד לא מתרסק. זה אומר שלפעמים זה מוליך-על חלש יותר, ולפעמים זה מוליך-על חזק יותר. עד עכשיו, איש לא היה מסוגל לצפות בשלב השלישי ההוא.

'הכל זורם'

בעבודה עם קבוצת התיאוריה של ריי, הצוות של תומפסון ב-JILA קירר והעמיס בלייזר אטומי סטרונציום לתוך חלל אופטי, חלל עם מראות מחזירות אור בשני קצותיו. אור לייזר קופץ קדימה ואחורה מיליוני פעמים לפני שאור כלשהו דולף החוצה בקצה אחד.

האור בחלל תיווך אינטראקציות בין האטומים, וגרם להם להתיישר למצב סופרפוזיציה – כלומר הם נמצאים גם במצב הנרגש וגם במצב הקרקע בו-זמנית – ולהינעל בפאזה, כמו שעושים זוגות קופר, מסביר ריי.

באמצעות לייזרים, מדענים יכולים לכבות את המערכת, ועל ידי מדידת האור שדולף החוצה, הם לומדים כיצד פער האנרגיה השתנה עם הזמן. עם הדמיית מוליכים קוונטיים זו, הם הצליחו לצפות בכל שלושת השלבים הדינמיים בפעם הראשונה.

הם גילו שבשלב השלישי פער האנרגיה יכול לשמור על מוליכות-על גם כשהמערכת נמצאת מחוץ לשיווי משקל. שימוש בסימולטורים קוונטיים כמו זה יכול לעזור למדענים להנדס מוליכים לא קונבנציונליים או חזקים יותר, ולהבין טוב יותר את הפיזיקה של מוליכים באופן כללי.

זוהי גם דרך מנוגדת לאינטואיציה עבור מדענים שעובדים במדעי המדידה לראות באינטראקציות אטומיות, כמו אלו שגורמות לפער האנרגיה, תועלת, לא כקללה.

"במדעי המדידה, אינטראקציות בדרך כלל גרועות. אבל כאן, כשהאינטראקציות חזקות, הן יכולות לעזור לך. הפער מגן על המערכת – הכל זורם", אומר ריי. "בלב הרעיון הזה יכול להיות לך משהו שמתנדנד לנצח."

להחזיק משהו שמתנדנד לנצח הוא חלום לטכנולוגיה קוונטית, מוסיף תומפסון, כי זה יאפשר לחיישנים לעבוד טוב יותר לאורך זמן. בדומה למוליכי העל, קבוצות של אטומים, פוטונים ואלקטרונים בחיישנים קוונטיים צריכים להישאר מסונכרנים, או קוהרנטיים, כדי לעבוד, ואנחנו לא רוצים שהם יהפכו לבור מוש קוונטי או "דיפאזה".

"אני נלהב מכך שניתן להשתמש באחד מהשלבים הדינמיים שאנו רואים כדי להגן על קוהרנטיות אופטית קוונטית מפני ביטול פאזה. לדוגמה, זה עשוי לאפשר יום אחד לשעון אטומי אופטי לתקתק זמן רב יותר", אמר תומפסון. "זה מייצג דרך חדשה לגמרי להגביר את הדיוק והרגישות של חיישנים קוונטיים, נושא שנמצא בגבול המטרולוגיה הקוונטית, או המדידה, המדע. אנחנו רוצים לרתום את האטומים הרבים ולנצל את האינטראקציות כדי לבנות חיישן טוב יותר".