Изучение высокотемпературной сверхпроводимости десятилетиями остается одной из самых амбициозных задач физики, ведь передача энергии без потерь способна совершить технологическую революцию. Главным препятствием на этом пути является фаза псевдощели — промежуточное состояние вещества, когда электроны начинают вести себя крайне странно.
Физики увидели в квантовом хаосе скрытый порядок, и он может стать основой сверхпроводимости
Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка с помощью квантового симулятора на ультрахолодных атомах лития обнаружили универсальные магнитные закономерности, возникающие перед переходом материала в состояние сверхпроводимости.
Ученые обнаружили скрытые магнитные структуры в фазе псевдощели — странного квантового состояния, которое появляется непосредственно перед началом сверхпроводимости. Левитирующий сверхпроводник. Shutterstock
Понять поведение электронов в реальных материалах крайне сложно, так как квантовые взаимодействия подчиняются законам вероятности, и количество возможных состояний растет экспоненциально. Даже мощнейшие суперкомпьютеры не справляются с расчетом систем из многих частиц. Квантовый симулятор решает это изящно: вместо вычислений он имитирует природу, заставляя атомы в лазерной решетке вести себя точно так же, как электроны в кристалле, что позволяет буквально «сфотографировать» квантовую магию: природу моделирует природа, а не цифра.
Ранее считалось, что при добавлении примесей строгое магнитное упорядочение системы разрушается, превращаясь в хаос. Но международная группа исследователей доказала, что это не так. Работа опубликована в журнале PNAS.
Используя литиевый газ, охлажденный до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, ученые воссоздали модель Ферми-Хаббарда. Благодаря квантовому газовому микроскопу они получили десятки тысяч мгновенных снимков, которые позволили разглядеть тонкие корреляции между частицами.
Выяснилось, что даже в условиях сильного беспорядка сохраняется скрытая структура. Магнитные взаимодействия электронов следуют единому универсальному паттерну, масштаб которого четко соотносится с температурой появления псевдощели.
Это открытие подтверждает, что магнетизм играет определяющую роль в формировании этого состояния. Исследование показало, что связи между частицами гораздо сложнее простых пар; они образуют многочастичные структуры, вовлекающие до пяти объектов одновременно. Соавтор работы Антуан Жорж отмечает: «Замечательно, что квантовые аналоговые симуляторы на базе ультрахолодных атомов теперь могут быть охлаждены до температур, при которых проявляются сложные квантовые коллективные явления».
Единство теории и эксперимента
Квантовая симуляция Модель Ферми-Хаббарда (FHM). (A) Примеры экспериментальных снимков, полученных с помощью квантового газового микроскопа с разрешением по спину и заряду. (B) Средняя атомная плотность, изображающая центральную область, над которой проводится анализ, и окружающий резервуар с экспериментально отрегулированным химическим потенциалом (C) Предполагаемая фазовая диаграмма FHM. Заштрихованная область приблизительно отображает режим, доступный для экспериментального оборудования. AFM: область со значительными антиферромагнитными корреляциями. d-SC: предполагаемая сверхпроводящая фаза. (D) Теоретические методы, использованные в данной работе: dQMC, METTS и геометрические строки.
Обнаруженные закономерности стали важным эталоном для проверки существующих теоретических моделей. Результаты работы приближают научное сообщество к пониманию того, как коллективное движение «танцующих» электронов порождает сверхпроводимость.
Успех эксперимента был обусловлен тесным взаимодействием теоретиков и экспериментаторов. Антуан Жорж говорит: «Аналоговое квантовое моделирование вступает в новую захватывающую стадию, которая бросает вызов классическим алгоритмам. В то же время эти эксперименты требуют глубокой теории. Сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами сейчас важно как никогда». В будущем ученые планируют еще сильнее охладить систему, чтобы найти новые формы квантового порядка.