Исследователи из Института квантовой оптики Макса Планка подтвердили гипотезу о влиянии магнитных сил на отсутствие сопротивления в высокотемпературных сверхпроводниках. Они впервые наблюдали процесс образования пар носителей заряда (дырок), которые отвечают за перенос электрического тока в таких материалах.
Для своего эксперимента физики использовали квантовый симулятор: квантовый компьютер, воссоздающий физические системы. Для этого они расположили ультрахолодные атомы в вакууме с помощью лазерного излучения таким образом, чтобы они имитировали электроны в упрощенной модели.
Спины атомов располагались с переменным направлением. Благодаря этому создавалась антиферромагнитная структура, характерная для многих высокотемпературных сверхпроводников. Ученые стабилизировали материал с помощью магнитного взаимодействия и «оптимизировали» модель, уменьшив количество атомов в системе. Таким образом, в атомной структуре образовались дырки (вакансии).
Физики использовали квантовый газовый микроскоп, чтобы наблюдать поведение дырок в системе. Это устройство, которое позволяет визуализировать квантовые эффекты и мельчайшие изменения в атомах. Исследование подтвердило, что дырки, которые подошли близко друг к другу, образовали пары, основанные на магнитном взаимодействии.
Механизм связи связи в магнитоупорядоченной системе. Красные и синие сферы — это спины противоположной ориентации, заштрихованные полосы, соединяющие сферы, показывают магнитный порядок. Белые сферы — это дырки. Когда дырка движется, как показано на (i) и (ii), она нарушает магнитный порядок. Однако, если второе отверстие соединено с первым, как в (iii), магнитный порядок сохраняется, несмотря на движение носителей заряда. Изображение: Max Planck Institute of Quantum Optics
Высокотемпературная сверхпроводимость — нулевое электрическое сопротивление в отдельных материалах при относительно высокой температуре — была открыта более 40 лет назад. Но до сих пор физики не понимают до конца квантово-физические механизмы этого процесса.
Для переноса заряда в сверхпроводниках необходимо образование пар носителей заряда —электронов или дырок. В традиционных сверхпроводниках, работающих при низких температурах, за этот процесс отвечают колебания атомной решетки, называемые фононами, объясняют физики, но в высокотемпературных сверхпроводниках такой механизм не может работать. Новое исследование подтверждает одну из возможных гипотез.
Физики планируют доработать модель, чтобы наблюдать не только формирование пар носителей заряда, но и их движение через кристаллическую решетку.
