En física, los científicos han quedado fascinados por el misterioso comportamiento de los superconductores, materiales que pueden conducir electricidad con resistencia cero cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas. Dentro de estos sistemas superconductores, los electrones se agrupan en "pares de Cooper" porque se atraen entre sí debido a las vibraciones en el material llamado fonones.
Como fase termodinámica de la materia, los superconductores suelen existir en un estado de equilibrio. Pero recientemente, los investigadores de JILA se interesaron en impulsar estos materiales a estados excitados y explorar la dinámica resultante. Como se informa en un nuevo Nature En el artículo, los equipos de teoría y experimentación de los becarios de JILA y NIST Ana María Rey y James K. Thompson, en colaboración con el profesor Robert Lewis-Swan de la Universidad de Oklahoma, simularon la superconductividad en tales condiciones excitadas utilizando un sistema de cavidad atómica. /P>
En lugar de trabajar con materiales superconductores reales, los científicos aprovecharon el comportamiento de los átomos de estroncio, enfriados con láser a 10 millonésimas de grado por encima del cero absoluto y levitados dentro de una cavidad óptica construida con espejos.
En este simulador, la presencia o ausencia de un par de Cooper se codificaba en un sistema de dos niveles o qubit. En esta configuración única, se realizaron interacciones mediadas por fotones entre electrones y átomos dentro de la cavidad.
Gracias a su simulación, los investigadores observaron tres fases distintas de la dinámica superconductora, incluida una rara "Fase III" que presenta un comportamiento oscilatorio persistente predicho por los teóricos de la física de la materia condensada pero nunca antes observado.
Estos hallazgos podrían allanar el camino para una comprensión más profunda de la superconductividad y su controlabilidad, ofreciendo nuevas vías para diseñar superconductores únicos. Además, es prometedor para mejorar el tiempo de coherencia para aplicaciones de detección cuántica, como la mejora de la sensibilidad de los relojes ópticos.
El equipo de JILA se centró en simular el modelo de Barden-Cooper-Schrieffer, que describe el comportamiento del par Cooper. Como dijo el primer autor y estudiante graduado de JILA, Dylan Young, "el modelo BCS existe desde la década de 1950 y es fundamental para nuestra comprensión de cómo funcionan los superconductores. Cuando los teóricos de la materia condensada comenzaron a estudiar la dinámica de desequilibrio de los superconductores, naturalmente comenzaron con este modelo."
En las últimas décadas, los teóricos de la materia condensada han predicho tres fases dinámicas distintas que experimentará un superconductor cuando evoluciona. En la Fase I, la fuerza de la superconductividad decae rápidamente hasta cero. Por el contrario, la Fase II representa un estado estacionario en el que se conserva la superconductividad.
Sin embargo, la Fase III, que hasta ahora no se había observado, es la más intrigante. "La idea de la fase III es que la fuerza de la superconductividad tiene oscilaciones persistentes sin amortiguación", explicó el estudiante graduado de JILA y coautor Anjun Chu.
"En el régimen de fase III, en lugar de suprimir las oscilaciones, las interacciones de muchos cuerpos pueden conducir a un impulso periódico autogenerado del sistema y estabilizar las oscilaciones. Observar este comportamiento exótico requiere un control preciso de las condiciones experimentales".
Para observar esta elusiva fase, el equipo aprovechó la colaboración de la teoría del grupo de Rey y el experimento del grupo de Thompson para crear una configuración experimental controlada con precisión, con la esperanza de ajustar los parámetros experimentales para lograr la Fase III.
Si bien los investigadores intentaron anteriormente observar la Fase III en sistemas superconductores reales, medir esta fase sigue siendo difícil de alcanzar debido a dificultades técnicas. "No tenían las 'perillas' ni los mecanismos de lectura adecuados", explicó Young. "Por otro lado, nuestra implementación en un sistema de cavidad atómica nos da acceso tanto a controles ajustables como a observables útiles para caracterizar la dinámica".
Basándose en trabajos anteriores, los investigadores atraparon una nube de átomos de estroncio dentro de una cavidad óptica. En este "simulador cuántico", los átomos emularon pares de Cooper y experimentaron una interacción colectiva paralela a la atracción experimentada por los electrones en los superconductores BCS.
"Pensamos que cada átomo representa un par de Cooper", explicó Young. "Un átomo en estado excitado simula la presencia de un par de Cooper, y el estado fundamental representa la ausencia de uno. Este mapeo es poderoso porque, como físicos atómicos, sabemos cómo manipular átomos de maneras que simplemente no se pueden hacer con Cooper. pares."
Los investigadores aplicaron este conocimiento para inducir diferentes fases de la dinámica en su simulación mediante un proceso conocido como "apagado". Como dijo Young, "El enfriamiento es cuando repentinamente cambiamos o 'pateamos' nuestro sistema para ver cómo responde. En este caso, preparamos nuestros átomos en este estado de superposición altamente colectivo entre los estados fundamental y excitado. Luego, inducimos un enfriamiento mediante encendiendo un rayo láser que da a todos los átomos diferentes energías."
Al cambiar la naturaleza de esta extinción, los investigadores pudieron ver diferentes fases dinámicas. Incluso idearon un truco para observar la elusiva Fase III, que implicaba dividir la nube de átomos por la mitad. "Usar dos nubes de átomos con control separado sobre los cambios de energía es la idea clave para lograr la Fase III", comentó Chu.
En los superconductores, los niveles de energía de los electrones se pueden dividir en dos sectores, mayoritariamente ocupados o apenas ocupados, separados por el nivel de Fermi. "Nuestra configuración en sistemas de espín no tiene un nivel de Fermi intrínsecamente, por lo que lo tenemos en cuenta utilizando dos nubes atómicas:una nube simula los estados por debajo del nivel de Fermi, mientras que otra nube simula los otros estados [cuánticos]", añadió Chu.
Para medir la dinámica del superconductor dentro de la cavidad, los investigadores rastrearon la luz que se escapaba de la cavidad óptica en tiempo real. Sus datos encontraron distintos puntos donde el superconductor simulado pasó de una fase a otra, llegando finalmente a la Fase III.
Ver las primeras mediciones de la Fase III sorprendió a muchos miembros del equipo. Como afirmó Thompson:"En realidad, ver los movimientos fue extremadamente satisfactorio". Por su parte en la colaboración, Rey estaba igualmente emocionada de ver la teoría y el experimento alineados.
"Desde el punto de vista teórico, los superfluidos/superconductores BCS podrían, en principio, observarse en gases fermiónicos degenerados reales, como los que Debbie Jin en JILA nos enseñó a crear. Sin embargo, ha sido difícil observar las fases dinámicas en estos En 2021 predijimos que todas las fases dinámicas de BCS podrían manifestarse en un experimento de cavidad atómica. Fue muy agradable ver que nuestras predicciones teóricas se hicieron realidad y observar las fases dinámicas en un experimento real.
Si bien observar la Fase III dentro de su sistema fue un logro significativo, el equipo también descubrió que los comportamientos medidos podrían tener implicaciones más amplias más allá de la superconductividad. Como explicó Thompson:"En términos del modelo subyacente que se utiliza para describirlo, resulta que este modelo BCS tiene todas estas conexiones con diferentes tipos de física en diferentes escalas de energía, escalas de temperatura y escalas de tiempo, desde superconductores hasta estrellas de neutrones. a sensores cuánticos."
Rey añadió:"Estas observaciones realmente abren un camino para simular superconductores no convencionales con propiedades topológicas fascinantes para realizar computadoras cuánticas robustas. Será fantástico emular incluso modelos de juguete de estos sistemas complejos en nuestro simulador cuántico de cavidad atómica".
Más información: Observación de fases dinámicas de superconductores BCS en un simulador QED de cavidad, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x, www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por JILA
