Kiedy twój laptop lub smartfon się nagrzewa, dzieje się tak z powodu energii, która jest tracona podczas tłumaczenia. To samo dotyczy linii energetycznych, które przesyłają energię elektryczną między miastami. W rzeczywistości około 10 procent wytworzonej energii jest tracone podczas przesyłu energii elektrycznej. To dlatego, że elektrony, które przenoszą ładunek elektryczny, robią to jako wolne środki, uderzając i ocierając się o inne elektrony, gdy poruszają się zbiorowo przez przewody zasilające i linie przesyłowe. Całe to przepychanie generuje tarcie, a ostatecznie ciepło.
Ale kiedy elektrony łączą się w pary, mogą wznieść się ponad walkę i ślizgać się po materiale bez tarcia. To „nadprzewodnictwo” występuje w wielu materiałach, chociaż w bardzo niskich temperaturach. Jeśli materiały te będą mogły stać się nadprzewodnikami zbliżonymi do temperatury pokojowej, mogą utorować drogę urządzeniom o zerowej stratności, takim jak laptopy i telefony bezciepłe oraz ultrawydajne linie energetyczne. Ale najpierw naukowcy będą musieli zrozumieć, w jaki sposób elektrony łączą się w pary.
Teraz nowe migawki cząstek łączących się w pary w chmurze atomów mogą dostarczyć wskazówek, w jaki sposób elektrony łączą się w pary w materiale nadprzewodzącym. Migawki zostały zrobione przez fizyków z MIT i są pierwszymi zdjęciami, które bezpośrednio rejestrują parowanie fermionów – głównej klasy cząstek, która obejmuje elektrony, a także protony, neutrony i niektóre rodzaje atomów.
W tym przypadku zespół MIT pracował z fermionami w postaci atomów potasu-40 iw warunkach symulujących zachowanie elektronów w niektórych materiałach nadprzewodzących. Opracowali technikę obrazowania przechłodzonej chmury atomów potasu-40, co pozwoliło im obserwować parowanie cząstek, nawet jeśli dzieli je niewielka odległość. Mogli również wyłowić ciekawe wzorce i zachowania, takie jak sposób, w jaki pary układały szachownice, które były zakłócane przez przechodzących samotnych singli.
Obserwacje, opisane dzisiaj w Science, mogą służyć jako wizualny plan tego, jak elektrony mogą łączyć się w pary w materiałach nadprzewodzących. Wyniki mogą również pomóc w opisaniu, w jaki sposób neutrony łączą się w pary, tworząc intensywnie gęstą i wirującą ciecz nadciekłą w gwiazdach neutronowych.
„Parowanie fermionów leży u podstaw nadprzewodnictwa i wielu zjawisk w fizyce jądrowej” – mówi autor badania, Martin Zwierlein, profesor fizyki na MIT im. Thomasa A. Franka. „Ale nikt nie widział tego parowania na miejscu. Więc to było po prostu zapierające dech w piersiach, aby w końcu zobaczyć te obrazy na ekranie, wiernie”.
Współautorami badania są Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh i Ningyuan Jia, wszyscy członkowie Wydziału Fizyki MIT, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms oraz Research Laboratory of Electronics.
Przyzwoity widok
Bezpośrednia obserwacja par elektronów jest zadaniem niemożliwym do wykonania. Są po prostu zbyt małe i zbyt szybkie, aby uchwycić je za pomocą istniejących technik obrazowania. Aby zrozumieć ich zachowanie, fizycy tacy jak Zwierlein przyjrzeli się analogicznym układom atomów. Zarówno elektrony, jak i niektóre atomy, pomimo różnic w wielkości, są podobne pod tym względem, że są fermionami – cząstkami wykazującymi właściwość znaną jako „spin półcałkowity”. Kiedy fermiony o przeciwnych spinach wchodzą w interakcje, mogą się łączyć w pary, tak jak robią to elektrony w nadprzewodnikach i jak niektóre atomy w obłoku gazu.
Grupa Zwierleina badała zachowanie atomów potasu-40, które są znanymi fermionami, które można przygotować w jednym z dwóch stanów spinowych. Kiedy atom potasu o jednym spinie oddziałuje z atomem o innym spinie, mogą utworzyć parę, podobnie jak elektrony nadprzewodzące. Ale w normalnych warunkach temperatury pokojowej atomy wchodzą w interakcję w rozmyciu, które jest trudne do uchwycenia.
Aby uzyskać przyzwoity obraz ich zachowania, Zwierlein i jego współpracownicy badają cząstki jako bardzo rozcieńczony gaz o masie około 1000 atomów, który umieszczają w ultrazimnych warunkach nanokelwinów, które spowalniają atomy do pełzania. Naukowcy zawierają również gaz w siatce optycznej lub siatce światła laserowego, w której atomy mogą wskakiwać, i którą naukowcy mogą wykorzystać jako mapę do dokładnego określenia lokalizacji atomów.
W swoich nowych badaniach zespół dokonał ulepszeń swojej istniejącej techniki obrazowania fermionów, co umożliwiło im chwilowe zatrzymanie atomów w miejscu, a następnie zrobienie osobnych zdjęć atomów potasu-40 z jednym lub drugim spinem. Naukowcy mogli następnie nałożyć obraz jednego typu atomu na drugi i sprawdzić, gdzie te dwa typy łączą się w pary i jak.
„Było cholernie trudno dojść do punktu, w którym moglibyśmy zrobić te zdjęcia” — mówi Zwierlein. „Możesz sobie wyobrazić, jak na początku pojawiają się wielkie dziury w obrazowaniu, twoje atomy uciekają, nic nie działa. Przez lata mieliśmy strasznie skomplikowane problemy do rozwiązania w laboratorium, a uczniowie mieli wielką wytrzymałość i wreszcie, aby móc zobaczyć te obrazy było absolutnie ekscytujące”.
Taniec par
To, co zespół zauważył, to parowanie się atomów, które zostało przewidziane przez model Hubbarda – szeroko rozpowszechnioną teorię, która uważa, że są one kluczem do zachowania elektronów w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, materiałach, które wykazują nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich (choć wciąż bardzo zimno) temperatury. Prognozy parowania się elektronów w tych materiałach zostały przetestowane za pomocą tego modelu, ale do tej pory nigdy nie były bezpośrednio obserwowane.
Zespół stworzył i zobrazował różne chmury atomów tysiące razy i przetłumaczył każdy obraz na cyfrową wersję przypominającą siatkę. Każda siatka pokazywała położenie atomów obu typów (przedstawionych jako czerwony i niebieski w ich artykule). Na tych mapach byli w stanie zobaczyć kwadraty w siatce z samotnym czerwonym lub niebieskim atomem oraz kwadraty, w których zarówno czerwony, jak i niebieski atom połączyły się lokalnie (przedstawione jako białe), a także puste kwadraty, które nie zawierały ani czerwonego lub niebieski atom (czarny).
Już pojedyncze zdjęcia pokazują wiele lokalnych par oraz atomy czerwonego i niebieskiego w bliskiej odległości. Analizując zestawy setek obrazów, zespół mógł wykazać, że atomy rzeczywiście pojawiają się w parach, czasami łącząc się w ciasną parę w obrębie jednego kwadratu, a innym razem tworząc luźniejsze pary, oddzielone jedną lub kilkoma odstępami siatki. Ta fizyczna separacja lub „nielokalne parowanie” została przewidziana przez model Hubbarda, ale nigdy nie została bezpośrednio zaobserwowana.
Naukowcy zaobserwowali również, że zbiory par zdawały się tworzyć szerszy wzór szachownicy, który chwiał się w formacji, gdy jeden z partnerów pary wychodził poza swój kwadrat i chwilowo zniekształcał szachownicę innych par. Zjawisko to, znane jako „polaron”, również zostało przewidziane, ale nigdy nie zostało zaobserwowane bezpośrednio.
„W tej dynamicznej zupie cząsteczki nieustannie podskakują jedna na drugiej, oddalają się, ale nigdy nie tańczą zbyt daleko od siebie” — zauważa Zwierlein.
Zachowanie parowania między tymi atomami musi również zachodzić w elektronach nadprzewodzących, a Zwierlein twierdzi, że nowe migawki zespołu pomogą naukowcom zrozumieć nadprzewodniki wysokotemperaturowe i być może dostarczą wglądu w to, w jaki sposób te materiały mogą być dostrojone do wyższych, bardziej praktycznych temperatur .
“Jeśli znormalizujesz nasz gaz atomów do gęstości elektronów w metalu, uważamy, że to zachowanie parowania powinno wystąpić znacznie powyżej temperatury pokojowej” – mówi Zwierlein. „Daje to dużo nadziei i pewności, że takie zjawiska parowania mogą w zasadzie występować w podwyższonych temperaturach i nie ma a priori ograniczenia, dlaczego pewnego dnia nie powinno być nadprzewodnika w temperaturze pokojowej”.
Badania te były częściowo wspierane przez amerykańską Narodową Fundację Nauki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych oraz stypendium wydziałowe Vannevara Busha.