In fisica, gli scienziati sono rimasti affascinati dal misterioso comportamento dei superconduttori, materiali che possono condurre elettricità con resistenza pari a zero quando raffreddati a temperature estremamente basse. All'interno di questi sistemi superconduttori, gli elettroni si uniscono in "coppie di Cooper" perché sono attratti l'uno dall'altro a causa delle vibrazioni del materiale chiamato fononi.
Essendo una fase termodinamica della materia, i superconduttori esistono tipicamente in uno stato di equilibrio. Ma recentemente, i ricercatori del JILA si sono interessati a portare questi materiali in stati eccitati e ad esplorare le dinamiche che ne conseguono. Come riportato in un nuovo Nature articolo, i team di teoria ed esperimento dei membri del JILA e del NIST Ana Maria Rey e James K. Thompson, in collaborazione con il Prof. Robert Lewis-Swan dell'Università dell'Oklahoma, hanno simulato la superconduttività in tali condizioni eccitate utilizzando un sistema di cavità atomiche. /P>
Invece di occuparsi di materiali superconduttori reali, gli scienziati hanno sfruttato il comportamento degli atomi di stronzio, raffreddati tramite laser a 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto e levitati all'interno di una cavità ottica costruita con specchi.
In questo simulatore, la presenza o l'assenza di una coppia di Cooper veniva codificata in un sistema a due livelli o qubit. In questa configurazione unica, le interazioni mediate dai fotoni tra gli elettroni sono state realizzate tra gli atomi all'interno della cavità.
Grazie alla loro simulazione, i ricercatori hanno osservato tre fasi distinte della dinamica superconduttiva, inclusa una rara "Fase III" caratterizzata da un comportamento oscillatorio persistente previsto dai teorici della fisica della materia condensata ma mai osservato prima.
Questi risultati potrebbero aprire la strada a una comprensione più profonda della superconduttività e della sua controllabilità, offrendo nuove strade per la progettazione di superconduttori unici. Inoltre, è promettente per migliorare il tempo di coerenza per le applicazioni di rilevamento quantistico, come il miglioramento della sensibilità degli orologi ottici.
Il team JILA si è concentrato sulla simulazione del modello Barden-Cooper-Schrieffer, che descrive il comportamento della coppia Cooper. Come ha affermato il co-primo autore e studente laureato della JILA Dylan Young:"Il modello BCS esiste dagli anni '50 ed è fondamentale per la nostra comprensione di come funzionano i superconduttori. Quando i teorici della materia condensata iniziarono a studiare le dinamiche fuori equilibrio dei superconduttori, hanno iniziato naturalmente con questo modello."
Negli ultimi decenni, i teorici della materia condensata hanno previsto tre distinte fasi dinamiche che un superconduttore dovrà sperimentare quando si evolve. Nella Fase I, la forza della superconduttività decade rapidamente fino a zero. Al contrario, la Fase II rappresenta uno stato stazionario in cui viene preservata la superconduttività.
Tuttavia, la Fase III precedentemente inosservata è la più intrigante. "L'idea della fase III è che la forza della superconduttività abbia oscillazioni persistenti senza smorzamento", ha spiegato Anjun Chu, studente laureato della JILA e co-primo autore.
"Nel regime di fase III, invece di sopprimere le oscillazioni, le interazioni a molti corpi possono portare ad un azionamento periodico autogenerato verso il sistema e stabilizzare le oscillazioni. L'osservazione di questo comportamento esotico richiede un controllo preciso delle condizioni sperimentali."
Per osservare questa fase sfuggente, il team ha sfruttato la collaborazione della teoria del gruppo di Rey e degli esperimenti del gruppo di Thompson per creare un apparato sperimentale controllato con precisione, sperando di mettere a punto i parametri sperimentali per raggiungere la Fase III.
Sebbene i ricercatori abbiano precedentemente cercato di osservare la Fase III in sistemi superconduttori reali, la misurazione di questa fase è rimasta sfuggente a causa di difficoltà tecniche. "Non avevano le giuste 'manopole' o meccanismi di lettura", ha spiegato Young. "D'altra parte, la nostra implementazione in un sistema di cavità atomiche ci dà accesso sia a controlli sintonizzabili che a osservabili utili per caratterizzare la dinamica."
Basandosi sul lavoro precedente, i ricercatori hanno intrappolato una nuvola di atomi di stronzio all’interno di una cavità ottica. In questo "simulatore quantistico", gli atomi emulavano coppie di Cooper e sperimentavano un'interazione collettiva che è parallela all'attrazione sperimentata dagli elettroni nei superconduttori BCS.
"Pensiamo che ogni atomo rappresenti una coppia di Cooper", ha spiegato Young. "Un atomo nello stato eccitato simula la presenza di una coppia di Cooper, e lo stato fondamentale rappresenta l'assenza di una coppia. Questa mappatura è potente perché, come fisici atomici, sappiamo come manipolare gli atomi in modi che semplicemente non puoi con Cooper coppie."
I ricercatori hanno applicato queste conoscenze per indurre diverse fasi dinamiche nella loro simulazione mediante un processo noto come “quenching”. Come ha detto Young, "L'estinzione avviene quando improvvisamente cambiamo o 'diamo un calcio' al nostro sistema per vedere come risponde. In questo caso, prepariamo i nostri atomi in questo stato di sovrapposizione altamente collettivo tra gli stati fondamentale ed eccitato. Quindi, induciamo un'estinzione mediante accendendo un raggio laser che conferisce a tutti gli atomi energie diverse."
Modificando la natura di questo raffreddamento, i ricercatori hanno potuto vedere diverse fasi dinamiche. Hanno persino ideato un trucco per osservare la sfuggente Fase III, che prevedeva la divisione a metà della nuvola di atomi. "L'utilizzo di due nubi di atomi con controllo separato sui cambiamenti di energia è l'idea chiave per raggiungere la Fase III", ha osservato Chu.
Nei superconduttori, i livelli energetici degli elettroni possono essere suddivisi in due settori, largamente occupati o poco occupati, separati dal livello di Fermi. "La nostra configurazione nei sistemi di spin non ha un livello di Fermi intrinsecamente, quindi ne teniamo conto utilizzando due nuvole atomiche:una nuvola simula gli stati al di sotto del livello di Fermi, mentre un'altra nuvola simula gli altri stati [quantici]", ha aggiunto Chu.
Per misurare la dinamica del superconduttore all'interno della cavità, i ricercatori hanno monitorato in tempo reale la luce che fuoriusciva dalla cavità ottica. I loro dati hanno trovato punti distinti in cui il superconduttore simulato passava da una fase all'altra, raggiungendo infine la Fase III.
Vedere le prime misurazioni della Fase III ha sorpreso molti membri del team. Come ha affermato Thompson, "In realtà vedere le oscillazioni è stato estremamente soddisfacente". Per quanto riguarda il suo ruolo nella collaborazione, Rey era altrettanto entusiasta di vedere l'allineamento della teoria e dell'esperimento.
"Dal punto di vista teorico, i superfluidi/superconduttori BCS potrebbero, in linea di principio, essere osservati in gas fermionici degenerati, come quelli che Debbie Jin al JILA ci ha insegnato a creare. Tuttavia, è stato difficile osservare le fasi dinamiche in questi Già nel 2021 avevamo previsto che tutte le fasi dinamiche del BCS avrebbero potuto invece manifestarsi in un esperimento sulla cavità dell'atomo. È stato così bello vedere le nostre previsioni teoriche diventare realtà e osservare effettivamente le fasi dinamiche in un esperimento reale."
Sebbene osservare la Fase III all'interno del loro sistema sia stato un risultato significativo, il team ha anche scoperto che i comportamenti misurati potrebbero avere implicazioni più ampie oltre la superconduttività. Come ha spiegato Thompson, "In termini di modello sottostante che usi per descriverlo, risulta che questo modello BCS ha tutte queste connessioni con diversi tipi di fisica su diverse scale di energia, scale di temperatura e scale temporali, dai superconduttori alle stelle di neutroni. ai sensori quantistici."
Rey ha aggiunto:"Queste osservazioni aprono davvero la strada alla simulazione di superconduttori non convenzionali con proprietà topologiche affascinanti per la realizzazione di computer quantistici robusti. Sarà fantastico emulare anche modelli giocattolo di questi sistemi complessi nel nostro simulatore quantistico di cavità atomiche."
Ulteriori informazioni: Osservazione delle fasi dinamiche dei superconduttori BCS in un simulatore QED a cavità, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x, www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x
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