Un laboratoire crée un circuit superfluide à l’aide de fermions pour étudier le comportement des électrons

Selon une étude publiée dans Lettres d’examen physique.

Le banc d’essai en laboratoire permet aux physiciens de contrôler la force des interactions entre les atomes, offrant une nouvelle façon d’explorer les phénomènes à l’origine de matériaux exotiques tels que les supraconducteurs.

« Une grande partie de la technologie moderne tourne autour du contrôle du flux d’électrons autour des circuits », a déclaré Kevin Wright, professeur adjoint de physique à Dartmouth et chercheur principal de l’étude. « En utilisant des atomes semblables à des électrons, nous pouvons tester des théories d’une manière qui n’était pas possible auparavant. »

Alors que les matériaux conducteurs tels que le cuivre sont bien compris, les chercheurs ne comprennent pas complètement comment les électrons se déplacent ou peuvent être contrôlés dans des matériaux exotiques comme les isolants topologiques et les supraconducteurs qui peuvent être utiles pour construire des ordinateurs quantiques.

Le nouveau circuit agit comme un émulateur quantique pour explorer le fonctionnement des électrons dans des matériaux réels, offrant un moyen d’analyser le mouvement des électrons dans un cadre hautement contrôlable.

« Les électrons peuvent faire des choses bien plus étranges et riches que quiconque ne l’imaginait », a déclaré Wright. « Nous apprenons sur les électrons sans utiliser d’électrons. »

Les particules atomiques sont soit des bosons, soit des fermions. Les bosons, comme les photons, ont tendance à se regrouper. Les fermions, comme les électrons, ont tendance à s’éviter. Alors qu’il existe déjà des circuits superfluides utilisant des atomes ultrafroids de type boson, le circuit de Dartmouth est le premier à utiliser des atomes ultrafroids qui agissent comme des fermions.

Le circuit fonctionne sur l’isotope lithium-6. Bien que le lithium-6 soit un atome complet, il possède des propriétés qui le font agir comme un électron individuel. Le comportement de l’atome complet sert d’analogue pour les électrons individuels.

« Si nous pouvions adapter les propriétés des atomes de lithium-6 aux électrons, ils circuleraient sans résistance même au-dessus de la température ambiante », a déclaré Yanping Cai, le premier auteur de l’article qui a rédigé l’article en tant que doctorant de Dartmouth. candidat. « L’étude de ces circuits simples pourrait fournir des informations sur la supraconductivité à haute température. »

La lumière laser est utilisée dans le circuit microscopique pour refroidir les nuages ​​d’atomes de lithium à des températures proches du zéro absolu. Une fois que les atomes sont ralentis, les chercheurs peuvent alors les maintenir en place, les déplacer ou les contrôler de manière à imiter la circulation des électrons individuels autour des circuits supraconducteurs.

En ajustant les champs magnétiques, l’équipe peut modifier la façon dont les atomes interagissent, faisant en sorte que les fermions s’attirent ou se repoussent avec une force variable, une caractéristique qui n’est pas possible avec des électrons individuels ou d’autres systèmes superfluides tels que l’hélium liquide.

Selon les chercheurs, des lasers ont été utilisés dans des techniques similaires dans d’autres expériences, mais il s’agit du premier circuit atomique accordable de cette manière. Les lasers fournissent également la structure du circuit et détectent comment les atomes agissent.

« Nous avons franchi le seuil pour construire des circuits de test avec des gaz quantiques fermioniques », a déclaré Wright. « Concevoir et contrôler le flux d’atomes autour d’un circuit avec des fermions ultrafroids de la même manière que dans un appareil électronique n’a jamais été réalisé auparavant. »

L’approche permettra aux chercheurs d’étudier la formation et la décroissance de « courants persistants » qui circulent indéfiniment sans apport d’énergie.

La possibilité d’émuler des circuits supraconducteurs pourrait ouvrir de vastes possibilités expérimentales pour tester des théories et analyser des matériaux aux propriétés uniques. La recherche pourrait créer des opportunités pour le développement de nouveaux types de dispositifs utilisant des supraconducteurs et d’autres matériaux quantiques exotiques.

Les co-auteurs du document de recherche incluent Dartmouth Ph.D. les candidats Daniel Allman et Parth Sabharwal.