Figuring out superconductorsFiguring out superconductorsProbing the Black Death for lead pollution insightsProbing the Black Death for lead pollution insights

从物理学家发现超导体的那一刻起,他们就想知道是否能够开发出在更温暖的温度下具有同样性质的材料。超导体是一种在极低温度下无电阻导电的材料。

哈佛大学的一组科学家说,做到这一点的关键可能在于另一种被称为反铁磁体的外来物质。

在物理学教授马库斯·格雷纳的带领下,一个物理学家团队通过从数百个锂原子组成的超冷气体中制造出一种量子反铁磁体,向理解这些材料迈出了至关重要的一步。这项研究发表在5月25日出版的《自然》杂志上。

Greiner说:“我们已经为真实材料创建了一个模型系统……现在,我们第一次可以在经典计算机达到极限的情况下研究这个模型系统。”“现在,我们可以戳一下我们的反铁磁体。这是一个完美的可调系统,我们甚至可以冻结时间来拍摄原子的位置快照。这是用固体做不到的。”

但究竟什么是反铁磁体呢?

传统的磁铁,那种你可以贴在冰箱上的磁铁,可以工作,因为材料中的电子自旋是对齐的,这使得它们可以一致工作。然而,在反铁磁体中,这些自旋呈棋盘状排列。一个自旋可能指向北方,而下一个自旋可能指向南方,以此类推。

理解反铁磁性物质是很重要的,他一一和物理学教授尤金·姆说,因为实验工作表明,在最有前途的高温超导体-铜的化合物的一个类称为铜酸盐不寻常状态可能是高温超导的前兆。

德姆勒说,目前,最好的铜酸盐显示出的超导性在零下160华氏度左右,按照日常标准,这是很冷的,但远远高于任何其他类型的超导体。这一温度也足以使铜超导体在电信、运输、发电和输电等领域得到实际应用。

“这个反铁磁体阶段是理解超导体的关键踏脚石,”Demler说,他领导的团队为实验提供了理论支持。“理解这些掺杂的反铁磁体的物理特性可能是高温超导的关键。”

建立一个,他一一和他的团队被困一个云的锂原子在真空中,然后使用一种技术被称为“熵再分配”冷却10/1000000000绝对零度以上,这允许他们观察反铁磁性物质的不同寻常的物理。

“在我们的实验中,我们对每个原子都有完全的控制,”在格雷纳实验室工作的博士后丹尼尔·格雷夫(Daniel Greif)说,“我们用这种控制来实现一种新的冷却方案,它能让我们达到迄今为止这类系统中最低的温度。”

德姆勒说:“研制出更好的超导体的问题是,如果你改变一种材料的一个参数……很多东西都在改变。”“通过这个模拟,我们可以完全控制参数。所以我们可以真正理解什么有助于和抑制超导性。”罗斯·林肯/哈佛工作人员摄影师

这种程度的控制使得Greiner和他的团队能够拍摄系统足够的细节来识别和提取单个原子的信息。研究小组还可以通过改变反铁磁体的原子密度来寻找超导态。

该系统不仅是一个模型,而且是一个特殊用途的量子计算机,可以模拟反铁磁体的复杂物理以及它们如何转变成超导体。

虽然科学家可以模拟简单原子的量子特性,甚至相对简单的材料,但像铜酸盐这样的更奇特的化合物太复杂了,无法用传统计算机精确地建模,该领域的许多人认为量子计算机可能是答案。

德姆勒说:“许多人预计,量子计算机将产生重大影响的第一个领域是量子模拟。“如果科学家想测试气流和飞机的其他飞行特性,他们会建造一个风洞来测试。本质上,这是一个真实材料的量子风洞。

“所以我们过去所做的就是提出我们认为简单的模型。事实上,我们仍然无法解决这些模型,”德姆勒说。“最终的结果是,我们的预测与实验结果不一致,但我们不知道我们的模型是错误的,还是计算错误。通过这个系统,我们确切地知道哪个模型描述了它。现在,如果我们做出预测,他们就能告诉我们预测是否准确。”

尽管该系统有一天可能在设计新一代超导体方面发挥作用,德姆勒说,它的最终重要性可能在于帮助研究人员为材料科学建立知识基础。

德姆勒说:“研制出更好的超导体的问题在于,如果你改变一种材料的一个参数……很多东西都在改变。”“通过这个模拟,我们可以完全控制参数。这样我们就能真正理解什么有助于和什么抑制超导性,然后我们就能在选择“研究”元素方面变得更明智。

这项研究得到了空军科学研究办公室、陆军研究办公室、戈登和贝蒂摩尔基金会EPiQS倡议、哈佛量子光学中心、国家科学基金会和瑞士国家科学基金会的支持。

http://petbyus.com/596/