Wenn Sie atomares Gas niedriger Dichte auf ultratiefe Temperaturen (–273 °C) abkühlen, erhalten Sie einen neuen Materiezustand, der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird. Ein BEC besteht aus stark gekoppelten zweiatomigen Molekülen, die sich gemäß der Quantenmechanik wie eine kollektive Welle verhalten. Reduziert man die Paarungsstärke zwischen ihnen – zum Beispiel durch Erhöhen des Magnetfelds – bilden die Atome Cooper-Paare nach der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie.
Der Prozess wird als BCS-BEC-Crossover bezeichnet. Und die Theorie bildet die Grundlage für Supraflüssigkeiten und Supraleiter, Materialien, die weder Viskosität noch elektrischen Widerstand aufweisen. Hiroyuki Tajima und sein Team von der Universität Tokio schlugen eine neue Methode vor, um Stromträger im BCS-BEC-Crossover zu unterscheiden. Der Schlüssel liegt in den Schwankungen des Stroms.
Elektronische Geräte zeigen Bilder dank Elektronen an, die sich in einem Leiter bewegen – auch bekannt als Einzelteilchenstrom. Ihr Gerät kann sich aufgrund des Widerstands erhitzen, der durch Kollisionen von Elektronen im Leiter verursacht wird, die elektrische Energie als Wärme abgeben. Aber Supraleiter zeigen keinen Widerstand gegen den Stromfluss und sparen viel Energie. Möglich wird dies durch paarige Elektronen, die sich sonst aufgrund ihrer negativen Ladung abgestoßen hätten. Mit anderen Worten, der Strom in Supraleitern ist hauptsächlich auf den Paar-Tunnel-Transport zurückzuführen, der sich bewegende gepaarte Stromträger und nicht einen Einzelteilchen-Stromträger umfasst.
Tajima und sein Team untersuchten die Quantentransportphänomene mit einem ultrakalten atomaren Fermi-Gas. Es ist eine künstliche Quantenmaterie, die ein Elektronen- oder Fermionensystem mit einstellbarer Wechselwirkungsstärke nachahmt. „Um den nicht-trivialen Transport zu verstehen, müssen wir unterscheiden, ob bei stark wechselwirkenden Gasen Einzelteilchen-Tunnelung oder Paar-Tunnelung vorherrscht“, sagte Tajima. „Die Identifizierung von Einzelteilchen-Tunneln und Paar-Tunneln ist entscheidend für das Verständnis des Quantentransports nicht nur in kalten atomaren Systemen, sondern auch in Hochtemperatur-Supraleitern.“
Da die Forscher die Wechselwirkungen zwischen Teilchen kontrollieren konnten, erlaubte ihnen das atomare Gas, die Quanten-Vielteilchenphysik systematisch zu untersuchen. Das Gas zeigt eine normale Phase, wenn die Wechselwirkungsstärke zwischen Atomen schwach ist. In dieser Phase verhält es sich wie ein relativ guter Leiter wie ein Metall mit elektrischem Widerstand. Man kann also einen Einzelteilchenstrom (Elektronen-Tunneltransport) unter einer chemischen Potentialvorspannung (Spannung) erwarten.
Wenn Sie die Wechselwirkungsstärke erhöhen, geht das Gas über eine dazwischenliegende Pseudogap-Phase in die gebundene Dimerphase über. In der Pseudogap-Phase findet der BCS-BEC-Crossover bei niedrigen Temperaturen statt. Bei einer kritischen Temperatur für eine gegebene Wechselwirkungsstärke wird das atomare Gas superflüssig ohne Viskosität. Unterhalb der Phasenübergangstemperatur bilden sich Cooper-Paare und führen zu Paarstrom. In der Pseudogap-Phase bilden sich aufgrund anziehender Wechselwirkungen nicht-superfluide Cooper-Paare, was zu einem anomalen Strom in dieser Region führt. Aber in der Phase des gebundenen Dimers ist der Paarstrom vorherrschend. Das Team von Tajima fand einen Weg, die Stromträger in jeder Phase zu unterscheiden, indem es eine beobachtbare makroskopische Eigenschaft maß.
Das Team zeigte, dass die als Fano-Faktor quantifizierten Stromschwankungen Einzelteilchen- und Paarströme in einem Tunneltransport von stark wechselwirkenden Fermi-Gasen unterscheiden können. Der Wert des Fano-Faktors beträgt 1 für Einzelteilchenstrom und 2 für Paarstrom. In Zukunft kann ihr Ansatz auf andere unkonventionelle Supraleiter und verschiedene Vielteilchenphänomene angewendet werden, die in kalten Atomen realisiert werden.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die mikroskopischen Transportträger aus den makroskopischen Observablen (dh Strom und Rauschen) selbst in stark korrelierter Quantenmaterie zu identifizieren“, fügt Tajima hinzu.
„Diese Zusammenarbeit erfolgte vollständig über Online-Diskussionen, was uns überraschenderweise ermöglichte, interdisziplinäres Wissen auszutauschen, was zu dieser Forschung führte.“
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS-Nexus.
Mehr Informationen:
Hiroyuki Tajima et al, Nichtgleichgewichtsrauschen als Sonde des Paartunneltransports im BCS-BEC-Crossover, PNAS-Nexus (2023). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad045