Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые наблюдали процесс отталкивания атомов, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, под влиянием сил межъядерного взаимодействия. Это открытие может стать важным шагом на пути к созданию сверхпроводников, способных работать при комнатной температуре, сообщается в статье, опубликованной в журнале Science. «До сих пор мы не имеем ясного понимания того, как ведут себя атомы и электроны внутри сверхпроводников.
Особенно мало известно о высокотемпературных сверхпроводниках, где электроны интенсивно взаимодействуют между собой. Современные компьютеры не справляются с расчетом этих процессов, и нам не удавалось напрямую наблюдать взаимодействия внутри вещества, поскольку невозможно увидеть отдельные электроны», — рассказал Мартин Цвирляйн (Martin Zwierlein) из MIT.
Цвирляйн и его команда частично преодолели этот пробел, впервые зафиксировав взаимодействия между атомами калия в металлическом газовом облаке, охлажденном до температуры всего на несколько милликельвинов выше абсолютного нуля (около ?273 °C). В таком состоянии хаотичное броуновское движение атомов практически исчезает, и при достаточном сжатии взаимодействия между ними подчиняются силам притяжения и отталкивания, вызванным кулоновскими эффектами между электронами и ядрами сталкивающихся частиц.
Физики из MIT разработали уникальный метод управления такими взаимодействиями и научились отслеживать их с помощью инновационного электронного микроскопа — фермионного микроскопа, созданного в MIT в прошлом году. Этот прибор позволяет измерять и отслеживать направление спина электронов в каждом атоме калия, облучая их светом и фиксируя изменения. Для анализа столкновений атомов ученые использовали специальную лазерную ловушку, которая сжимала газовое облако, превращая его в двумерную структуру.
Повышая число атомов в облаке, ученые наблюдали изменения в их спинах, вызванные отталкиванием и усилением кулоновских сил. Благодаря анализу спиновых и зарядовых распределений в облаке впервые удалось увидеть взаимодействия отдельных атомов, а также понять, как расположение атома относительно соседних влияет на его движение и поведение.
Например, специалисты установили, что при определенных условиях — в частности, при сильном сжатии и противоположных направлениях спинов — атомы склонны образовывать группы и пары, окруженные пустым пространством. Такие скопления, по мнению ученых, могут выступать в роли квантовых симуляторов, позволяющих моделировать поведение сверхпроводников и других сложных состояний материи, которые пока остаются загадкой и не поддаются расчетам с использованием традиционных вычислительных методов из-за своей сложности.
Полученные результаты имеют ключевое значение для понимания движения и взаимодействия электронных пар в высокотемпературных сверхпроводниках, а также для раскрытия фундаментальных механизмов сверхпроводимости при температурах, близких к комнатным, подытожил Цвирляйн.