Les physiciens du MIT génèrent les premiers instantanés de paires de fermions

Les images mettent en lumière la façon dont les électrons forment des paires supraconductrices qui glissent à travers les matériaux sans frottement.

Lorsque votre ordinateur portable ou votre smartphone chauffe, c’est à cause de l’énergie perdue lors de la translation. Il en va de même pour les lignes électriques qui transportent l’électricité entre les villes. En fait, environ 10 % de l’énergie générée est perdue dans la transmission de l’électricité. C’est parce que les électrons qui transportent une charge électrique le font en tant qu’agents libres, se heurtant et frôlant d’autres électrons lorsqu’ils se déplacent collectivement à travers les cordons d’alimentation et les lignes de transmission. Toutes ces bousculades génèrent des frottements, et, à terme, de la chaleur.

Mais lorsque les électrons s’apparient, ils peuvent s’élever au-dessus de la mêlée et glisser à travers un matériau sans frottement. Ce comportement «supraconducteur» se produit dans une gamme de matériaux, mais à des températures ultra-froides. Si ces matériaux peuvent être rendus supraconducteurs plus près de la température ambiante, ils pourraient ouvrir la voie à des appareils sans perte, tels que des ordinateurs portables et des téléphones sans chaleur, et des lignes électriques ultra-efficaces. Mais d’abord, les scientifiques devront comprendre comment les électrons s’apparient en premier lieu.

Maintenant, de nouveaux instantanés de particules appariées dans un nuage d’atomes peuvent fournir des indices sur la façon dont les électrons s’apparient dans un matériau supraconducteur. Les clichés ont été pris par

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribut=””>MIT[{“attribute=””>MIT physiciens et sont les premières images qui capturent directement l’appariement des fermions – une classe majeure de particules qui comprend des électrons, ainsi que des protons, des neutrons et certains types d’atomes.

Les physiciens du MIT ont capturé des instantanés de particules appariées dans un nuage d’atomes, ce qui peut fournir des indices sur la façon dont les électrons s’apparient dans un matériau supraconducteur. Dans cette figure de données, les boules rouges et bleues sont des fermions spin-up et spin-down, et certaines sont appariées. Les sites blancs sont des sites doublement occupés. 1 crédit

Dans ce cas, l’équipe du MIT a travaillé avec des fermions sous forme d’atomes de potassium 40, et dans des conditions simulant le comportement des électrons dans certains matériaux supraconducteurs. Ils ont développé une technique pour imager un nuage surfondu d’atomes de potassium 40, ce qui leur a permis d’observer l’appariement des particules, même lorsqu’elles sont séparées par une petite distance. Ils pouvaient également identifier des modèles et des comportements intéressants, tels que la façon dont les couples formaient des damiers, qui étaient perturbés par des célibataires solitaires qui passaient.

Les observations, rapportées le 6 juillet dans le journal Science, peut servir de modèle visuel pour la façon dont les électrons peuvent s’apparier dans les matériaux supraconducteurs. Les résultats peuvent également aider à décrire comment les neutrons s’apparient pour former un superfluide intensément dense et tourbillonnant dans les étoiles à neutrons.

“L’appariement des fermions est à la base de la supraconductivité et de nombreux phénomènes en physique nucléaire”, déclare l’auteur de l’étude Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A. Frank au MIT. « Mais personne n’avait vu ce couple in situ. C’était donc à couper le souffle de voir enfin ces images à l’écran, fidèlement.

Les co-auteurs de l’étude sont Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh et Ningyuan Jia, tous membres du département de physique du MIT, du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms et du Research Laboratory of Electronics.

Une vue convenable

Observer directement la paire d’électrons est une tâche impossible. Ils sont tout simplement trop petits et trop rapides pour être capturés avec les techniques d’imagerie existantes. Pour comprendre leur comportement, des physiciens comme Zwierlein se sont tournés vers des systèmes analogues d’atomes. Les électrons et certains atomes, malgré leur différence de taille, sont similaires en ce qu’ils sont des fermions – des particules qui présentent une propriété connue sous le nom de “spin demi-entier”. Lorsque des fermions de spin opposé interagissent, ils peuvent s’apparier, comme le font les électrons dans les supraconducteurs, et comme le font certains atomes dans un nuage de gaz.

Le groupe de Zwierlein a étudié le comportement des atomes de potassium 40, qui sont des fermions connus, qui peuvent être préparés dans l’un des deux états de spin. Quand un potassium

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>atome[{“attribute=””>atom d’un spin interagit avec un atome d’un autre spin, ils peuvent former une paire, semblable à des électrons supraconducteurs. Mais dans des conditions normales de température ambiante, les atomes interagissent dans un flou difficile à saisir.

Le groupe de Zwierlein a étudié le comportement des atomes de potassium 40, qui sont des fermions connus, qui peuvent être préparés dans l’un des deux états de spin. De gauche à droite : Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia, Thomas Hartke, Martin Zwierlein et Botond Oreg. 1 crédit

Pour avoir une bonne idée de leur comportement, Zwierlein et ses collègues étudient les particules comme un gaz très dilué d’environ 1 000 atomes, qu’ils placent dans des conditions ultra-froides et nanokelvin qui ralentissent les atomes. Les chercheurs contiennent également le gaz dans un réseau optique, ou une grille de lumière laser dans laquelle les atomes peuvent sauter, et que les chercheurs peuvent utiliser comme carte pour localiser précisément les emplacements des atomes.

Dans leur nouvelle étude, l’équipe a apporté des améliorations à leur technique existante d’imagerie des fermions qui leur a permis de geler momentanément les atomes en place, puis de prendre des instantanés séparément des atomes de potassium 40 avec un spin particulier ou l’autre. Les chercheurs pourraient alors superposer une image d’un type d’atome sur l’autre, et voir où les deux types s’associent, et comment.

“C’était sacrément difficile d’arriver à un point où nous pouvions réellement prendre ces images”, déclare Zwierlein. “Vous pouvez imaginer au début avoir de gros trous dans votre imagerie, vos atomes s’enfuir, rien ne fonctionne. Nous avons eu des problèmes terriblement compliqués à résoudre en laboratoire au fil des ans, et les étudiants avaient une grande endurance, et enfin, pouvoir voir ces images était absolument exaltant.

Danse en couple

Ce que l’équipe a vu était un comportement d’appariement parmi les atomes qui avait été prédit par le modèle de Hubbard – une théorie largement répandue censée détenir la clé du comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, des matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures relativement élevées (bien qu’encore très froides). ) températures. Les prédictions de la façon dont les électrons s’apparient dans ces matériaux ont été testées grâce à ce modèle, mais jamais directement observées jusqu’à présent.

L’équipe a créé et imagé différents nuages ​​d’atomes des milliers de fois et a traduit chaque image en une version numérisée ressemblant à une grille. Chaque grille montrait l’emplacement des atomes des deux types (représentés en rouge par rapport au bleu dans leur article). À partir de ces cartes, ils ont pu voir des carrés dans la grille avec un seul atome rouge ou bleu, et des carrés où un atome rouge et bleu s’appariait localement (représentés en blanc), ainsi que des carrés vides qui ne contenaient ni un atome rouge ou atome bleu (noir).

Des images individuelles montrent déjà de nombreuses paires locales et des atomes rouges et bleus à proximité. En analysant des ensembles de centaines d’images, l’équipe a pu montrer que les atomes apparaissent en effet par paires, se liant parfois en une paire serrée dans un carré, et à d’autres moments formant des paires plus lâches, séparées par un ou plusieurs espacements de grille. Cette séparation physique, ou « appariement non local », a été prédite par le modèle de Hubbard mais n’a jamais été observée directement.

Les chercheurs ont également observé que les collections de paires semblaient former un motif en damier plus large, et que ce motif vacillait dans et hors de la formation lorsqu’un partenaire d’une paire s’aventurait en dehors de son carré et déformait momentanément le damier des autres paires. Ce phénomène, connu sous le nom de “polaron”, a également été prédit mais n’a jamais été observé directement.

“Dans cette soupe dynamique, les particules sautent constamment les unes sur les autres, s’éloignent, mais ne dansent jamais trop loin les unes des autres”, note Zwierlein.

Le comportement d’appariement entre ces atomes doit également se produire dans les électrons supraconducteurs, et Zwierlein dit que les nouveaux instantanés de l’équipe aideront à éclairer la compréhension des scientifiques des supraconducteurs à haute température, et peut-être donner un aperçu de la façon dont ces matériaux pourraient être réglés à des températures plus élevées et plus pratiques. .

“Il s’agit d’un nouveau travail passionnant”, déclare Immanuel Bloch, professeur de physique expérimentale à l’Université Ludwig-Maximilians de Munich, qui n’a pas participé aux travaux. “C’est un bel exemple de la façon dont des corrélations complexes peuvent être directement observées dans ces expériences de simulation quantique hautement contrôlées, et stimulera la réflexion sur des modèles de corrélations plus complexes qui peuvent être directement capturés dans l’expérience.”

Référence : « Observation directe de l’appariement de fermions non locaux dans un gaz attractif de Fermi-Hubbard » par Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia et Martin Zwierlein, 6 juillet 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.ade4245

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation des États-Unis, le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force et la bourse de la faculté Vannevar Bush.