Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci z MITu a Harvardu si hráli s atomy draslíku (40K) za podmínek, které mají simulovat chování elektronů v určitých supravodivých materiálech. Vyvinuli techniku zobrazování přechlazeného mraku atomů draslíku-40, která jim umožnila pozorovat párování částic na velmi malých vzdálenostech. Mohli si také všimnout zajímavých vzorů a chování, například způsobu, jakým páry vytvářely šachovnicové vzory, které byly narušovány osamělými atomy procházejícími kolem.
Mohlo by jít o analogii toho, jak se elektrony párují v supravodivých materiálech (v supravodičích prvního typy, „konvenčních“). Výsledky mohou také pomoci popsat, jak se párují neutrony a vytvářejí hustou supratekutinu v neutronových hvězdách.
„Párování fermionů je základem supravodivosti a mnoha jevů v jaderné fyzice,“ uvedl spoluautor studie Martin Zwierlein z MITu. „Nikdo však dosud toto párování neviděl in situ. Bralo tedy dech, když jsme vše spatřili na monitoru.“
Přímo pozorovat párování elektronů dosud nedokážeme. Jsou prostě příliš malé a rychlé na to, aby je bylo možné zachytit stávajícími zobrazovacími technikami. Proto je třeba najít nějaké analogie. Draslík s jádrem obsahujícím 40 nukleonů je fermion (poločíselný spin; draslík má v jádru 19 protonů, tj. plus 19 elektronů a 21 neutronů) a navzdory velmi rozdílné velikosti prý může simulovat i chování elektronů.
Aby došlo k vytvoření analogie Cooperových párů (respektive je bylo možné zachytit), vědci použili velmi zředěný plyn o zhruba 1 000 atomech a ochladili ho na extrémně nízkou teplotu (v nanokelvinech). Pak umístili vzorek do optické (laserové) mřížky, v níž atomy přeskakovaly a mřížka sloužila pro vlastní zobrazení.
Ve své nové studii tým vylepšil svou dosavadní techniku zobrazování fermionů, která jim umožnila na okamžik zmrazit atomy na místě a poté samostatně pořídit snímky 40 atomů draslíku s tím či oním spinem. Výzkumníci pak mohli překrýt snímek jednoho typu atomů přes druhý a zjistit, kde a jak se oba typy spojily. Tým vytvořil a tisíckrát zobrazil různé mraky atomů a každý obraz převedl do digitalizované verze připomínající šachovnici. Každá šachovnice ukazovala umístění atomů obou typů (na obrázku znázorněných jako červená versus modrá).
Vědci pozorovali párové chování mezi atomy, které bylo předpovězeno Hubbardovým modelem – teorií popisující chování elektronů v supravodičích. Již jednotlivé obrázky ukazují mnoho lokálních dvojic a červené a modré atomy v těsné blízkosti. Analýzou souborů stovek snímků mohl tým ukázat, že atomy se skutečně objevují v párech, někdy se spojují do těsné dvojice v rámci jednoho čtverečku a jindy tvoří volnější dvojice, oddělené o jedno nebo několik políček.(respektive odpovídajících vzdáleností).
Výzkumníci také pozorovali, že soubory dvojic zřejmě vytvářejí rozsáhlejší vzor a že tento vzor se rozkolísává, když se jeden z partnerů dvojice vydá mimo své políčko a na okamžik naruší uspořádání ostatních dvojic. Tento jev („polaron“) byl také předpovězen, ale dosud nikdy přímo pozorován.
„Pokud normalizujete náš plyn atomů na hustotu elektronů v kovu, myslíme si, že by se toto párové chování mělo vyskytovat daleko nad pokojovou teplotou,“ uvádí M. Zwierlein. „To dává velkou naději, že i k takovému párování elektronů může v principu docházet i při vyšších teplotách a neexistuje žádný apriorní limit, proč by jednou nemohl existovat supravodič fungující za pokojové teploty.“
Thomas Hartke, Direct observation of non-local fermion pairing in an attractive Fermi-Hubbard gas, Science (2023). DOI: 10.1126/science.ade4245. www.science.org/doi/10.1126/science.ade4245
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / Phys.org, přeloženo/kráceno
