Science最新：發現超冷原子有趣的磁行為

每個綠點表示單獨的鋰原子。 研究人員使用量子氣體顯微鏡來對原子進行成像，這些原子已經被冷卻到高於絕對零度的幾分之一併被激光固定。

來源：圖片由普林斯頓大學彼得·布朗提供

【據Sciencedaily網站9月29日報道】通過冷卻到絕對零度以上的十億分之幾的原子，普林斯頓大學的研究人員領導的團隊發現了一個有趣的磁性行為，這可以幫助解釋高溫超導性如何工作。

研究人員發現，對這些超冷原子施加強磁場會讓它們以交替的方式排列並相互偏離。這種被研究人員稱作「傾斜反鐵磁性」的行為與通過模型的預測相一致。該模型用了數十年，用來理解特定材料如何產生超導效應。研究結果發表在《科學》雜誌上。

「之前沒有人在這個系統中觀察到這種類型的行為」，普林斯頓大學物理學助理教授Waseem Bakr說，「我們用激光製造人造水晶，然後探索微觀細節發生了什麼。這種研究在日常材料中做不到。」

在普林斯頓賈德溫廳的桌面上進行的實驗使得描述量子行為如何產生超導性的模型可被探索。超導狀態是電流可以無阻力地流動，並且被用於電力傳輸和製造強大的電磁鐵。雖然了解了傳統超導體的基礎，研究人員仍在一種稱作銅氧化物銅基材料中探索高溫超導理論。

由於銅酸鹽的複雜性，研究人員很難直接研究它們去尋找什麼特性導致它們具有無電阻性能。作為替代，通過使用激光和超冷原子構建合成晶體，研究人員可以提出原本無法提出的問題。

伯克爾和他的團隊將鋰原子冷卻到絕對零度以上的百億分之幾，到達原子遵循量子物理學規律的溫度。研究人員使用激光器創建一個網格，以將超冷原子固定。這種稱為光柵的網格可以被想成是完全由激光產生的虛擬蛋托盤，其中原子可以從一個阱跳到下一個。

該團隊使用該裝置來觀察單個原子之間的相互作用。這種作用以類似於微小磁體的方式表現，由稱為自旋的量子性質產生。每個原子的自旋可以向上或向下。如果兩個原子落在同一地點，他們就會因強烈的排斥作用而鋪開，每個阱中只有一個原子。蛋托盤的相鄰阱中的原子傾向於自旋相反。

由於冷系統的量子性質，這種稱為反鐵磁性的效應在非常低的溫度下發生。當兩種類型的自旋群體大致相等時，只要相鄰旋轉保持反對平行，自旋可以轉到任何方向。

當研究人員對原子應用強磁場時，他們看到讓他們好奇的東西。普林斯頓大學的研究人員利用可以對晶格點上的各個原子進行成像的高解析度顯微鏡，研究了原子與磁場強度的磁相關性的變化。在強場的存在下，相鄰的自旋保持反向，但是轉到了一個與磁場呈直角的平面。仔細觀察，研究人員看到，相反排列的原子在場的方向上稍微傾斜，使得磁體仍然反向面對，但在平面中對齊得不精確了。

去年在哈佛大學，馬薩諸塞理工學院和慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的實驗中觀察到旋轉相關性。但普林斯頓大學的研究首先對原子應用強場並觀察斜角反鐵磁體。

觀察結果是由費米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型預測的。該模型用於解釋在比較高的溫度下，銅酸鹽如何超導。費米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型由普林斯頓大學物理學教授約瑟夫·亨利（Joseph Henry）榮譽物理學教授菲利普·安德森（Philip Anderson）改進。他於1977年因磁無序系統的電子結構的理論研究工作獲得諾貝爾物理學獎。

「更好地了解費米-哈伯德模型可以幫助研究人員設計類似具有超導性能的材料。」 Bakr說。

研究還研究了去除蛋托中的一些原子會發生什麼，在網格中引入空洞。研究人員發現，當施加磁場時，反映和在銅氧化物上所做的測量相一致。「這更證實提出的費米 - 哈伯德模型可能是解釋我們在材料中所見的現象的正確模型。」巴克爾說。

普林斯頓小組包括研究生Peter Brown，他進行了許多實驗，是該論文的第一作者。實驗的額外貢獻來自物理學研究生Debayan Mitra和Elmer Guardado-Sanchez，物理學副研究學者Peter Schauss和現在在哥倫比亞大學的前博士後研究員Stanimir Kondov。

這項研究貢獻了對聖約瑟茅斯州立大學的埃桑·哈特米，里約熱內盧聯邦大學的艾薩·帕瓦，俄亥俄州立大學的南迪尼·特里維迪以及普林斯頓的Cyrus Fogg Brackett物理教授的理論的理解。

文章來自sciencedaily，原文題目為 Ultracold atoms point toward an intriguing magnetic behavior，由材料科技在線匯總整理。

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