Das Labor erstellt mithilfe von Fermionen einen suprafluiden Schaltkreis, um das Verhalten von Elektronen zu untersuchen

Forscher des Dartmouth College haben laut einer in veröffentlichten Studie den weltweit ersten suprafluiden Schaltkreis gebaut, der Paare von ultrakalten elektronenähnlichen Atomen verwendet Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Der Laborprüfstand gibt Physikern die Kontrolle über die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Atomen und bietet eine neue Möglichkeit, die Phänomene hinter exotischen Materialien wie Supraleitern zu erforschen.

„Ein Großteil der modernen Technologie dreht sich um die Steuerung des Elektronenflusses in Schaltkreisen“, sagte Kevin Wright, Assistenzprofessor für Physik in Dartmouth und leitender Forscher der Studie. „Durch die Verwendung von elektronenähnlichen Atomen können wir Theorien auf eine Weise testen, die vorher nicht möglich war.“

Während leitfähige Materialien wie Kupfer gut verstanden sind, verstehen die Forscher nicht vollständig, wie sich Elektronen in exotischen Materialien wie topologischen Isolatoren und Supraleitern bewegen oder kontrolliert werden können, die für den Bau von Quantencomputern nützlich sein können.

Die neue Schaltung fungiert als Quantenemulator, um zu untersuchen, wie Elektronen in realen Materialien funktionieren, und bietet eine Möglichkeit, die Bewegung von Elektronen in einer hochgradig kontrollierbaren Umgebung zu analysieren.

„Elektronen können Dinge tun, die weitaus seltsamer und reichhaltiger sind, als sich irgendjemand vorgestellt hat“, sagte Wright. „Wir lernen etwas über Elektronen, ohne Elektronen zu verwenden.“

Atomare Teilchen sind entweder Bosonen oder Fermionen. Bosonen wie Photonen neigen dazu, sich zu bündeln. Fermionen, wie Elektronen, neigen dazu, einander auszuweichen. Während es bereits superfluide Schaltkreise mit ultrakalten bosonähnlichen Atomen gibt, ist der Dartmouth-Schaltkreis der erste, der ultrakalte Atome verwendet, die als Fermionen fungieren.

Die Schaltung arbeitet mit dem Isotop Lithium-6. Obwohl Lithium-6 ein vollständiges Atom ist, hat es Eigenschaften, die es wie ein einzelnes Elektron wirken lassen. Das Verhalten des vollständigen Atoms dient als Analogon für einzelne Elektronen.

„Wenn wir die Eigenschaften von Lithium-6-Atomen auf Elektronen skalieren könnten, würden sie sogar über Raumtemperatur ohne Widerstand fließen“, sagte Yanping Cai, der Erstautor der Arbeit, der die Arbeit als Dartmouth Ph.D. Kandidat. „Das Studium dieser einfachen Schaltkreise könnte Einblicke in die Hochtemperatur-Supraleitung liefern.“

Laserlicht wird im mikroskopischen Schaltkreis verwendet, um Wolken aus Lithiumatomen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Sobald die Atome verlangsamt sind, können die Forscher sie an Ort und Stelle halten, bewegen oder auf andere Weise so steuern, dass sie nachahmen, wie einzelne Elektronen um supraleitende Schaltkreise fließen.

Durch die Anpassung von Magnetfeldern kann das Team die Art und Weise ändern, wie die Atome interagieren, wodurch sich die Fermionen unterschiedlich stark anziehen oder abstoßen, eine Funktion, die mit einzelnen Elektronen oder anderen supraflüssigen Systemen wie flüssigem Helium nicht möglich ist.

Nach Angaben der Forscher wurden Laser in ähnlichen Techniken in anderen Experimenten verwendet, aber dies ist der erste atomare Schaltkreis, der auf diese Weise abstimmbar ist. Die Laser liefern auch die Struktur des Schaltkreises und erkennen, wie die Atome agieren.

„Wir haben die Schwelle zum Bau von Testschaltkreisen mit fermionischen Quantengasen überschritten“, sagte Wright. „Das Entwerfen und Steuern des Atomflusses um einen Schaltkreis mit ultrakalten Fermionen auf die gleiche Weise wie in einem elektronischen Gerät wurde noch nie zuvor erreicht.“

Der Ansatz wird es den Forschern ermöglichen, die Bildung und den Zerfall von „permanenten Strömen“ zu untersuchen, die ohne Energiezufuhr unbegrenzt fließen.

Die Fähigkeit, supraleitende Schaltkreise zu emulieren, könnte große experimentelle Möglichkeiten eröffnen, um Theorien zu testen und Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu analysieren. Die Forschung könnte Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Geräte schaffen, die Supraleiter und andere exotische Quantenmaterialien verwenden.

Zu den Co-Autoren der Forschungsarbeit gehören Dartmouth Ph.D. Kandidaten Daniel Allman und Parth Sabharwal.