通過冷卻到絕對(duì)零度以上的十億分之幾的原子，普林斯頓大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的磁性行為，這可以幫助解釋高溫超導(dǎo)性如何工作。

研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)這些超冷原子施加強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)讓它們以交替的方式排列并相互偏離。這種被研究人員稱作“傾斜反鐵磁性”的行為與通過模型的預(yù)測(cè)相一致。該模型用了數(shù)十年，用來理解特定材料如何產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

 “之前沒有人在這個(gè)系統(tǒng)中觀察到這種類型的行為”，普林斯頓大學(xué)物理學(xué)助理教授Waseem Bakr說，“我們用激光制造人造水晶，然后探索微觀細(xì)節(jié)發(fā)生了什么。這種研究在日常材料中做不到?！?/span>

在普林斯頓賈德溫廳的桌面上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)使得描述量子行為如何產(chǎn)生超導(dǎo)性的模型可被探索。超導(dǎo)狀態(tài)是電流可以無阻力地流動(dòng)，并且被用于電力傳輸和制造強(qiáng)大的電磁鐵。雖然了解了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的基礎(chǔ)，研究人員仍在一種稱作銅氧化物銅基材料中探索高溫超導(dǎo)理論。

由于銅酸鹽的復(fù)雜性，研究人員很難直接研究它們?nèi)ふ沂裁刺匦詫?dǎo)致它們具有無電阻性能。作為替代，通過使用激光和超冷原子構(gòu)建合成晶體，研究人員可以提出原本無法提出的問題。

伯克爾和他的團(tuán)隊(duì)將鋰原子冷卻到絕對(duì)零度以上的百億分之幾，到達(dá)原子遵循量子物理學(xué)規(guī)律的溫度。研究人員使用激光器創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)格，以將超冷原子固定。這種稱為光柵的網(wǎng)格可以被想成是完全由激光產(chǎn)生的虛擬蛋托盤，其中原子可以從一個(gè)阱跳到下一個(gè)。

該團(tuán)隊(duì)使用該裝置來觀察單個(gè)原子之間的相互作用。這種作用以類似于微小磁體的方式表現(xiàn)，由稱為自旋的量子性質(zhì)產(chǎn)生。每個(gè)原子的自旋可以向上或向下。如果兩個(gè)原子落在同一地點(diǎn)，他們就會(huì)因強(qiáng)烈的排斥作用而鋪開，每個(gè)阱中只有一個(gè)原子。蛋托盤的相鄰阱中的原子傾向于自旋相反。

由于冷系統(tǒng)的量子性質(zhì)，這種稱為反鐵磁性的效應(yīng)在非常低的溫度下發(fā)生。當(dāng)兩種類型的自旋群體大致相等時(shí)，只要相鄰旋轉(zhuǎn)保持反對(duì)平行，自旋可以轉(zhuǎn)到任何方向。

當(dāng)研究人員對(duì)原子應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，他們看到讓他們好奇的東西。普林斯頓大學(xué)的研究人員利用可以對(duì)晶格點(diǎn)上的各個(gè)原子進(jìn)行成像的高分辨率顯微鏡，研究了原子與磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁相關(guān)性的變化。在強(qiáng)場(chǎng)的存在下，相鄰的自旋保持反向，但是轉(zhuǎn)到了一個(gè)與磁場(chǎng)呈直角的平面。仔細(xì)觀察，研究人員看到，相反排列的原子在場(chǎng)的方向上稍微傾斜，使得磁體仍然反向面對(duì)，但在平面中對(duì)齊得不精確了。

去年在哈佛大學(xué)，馬薩諸塞理工學(xué)院和慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中觀察到旋轉(zhuǎn)相關(guān)性。但普林斯頓大學(xué)的研究首先對(duì)原子應(yīng)用強(qiáng)場(chǎng)并觀察斜角反鐵磁體。

觀察結(jié)果是由費(fèi)米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型預(yù)測(cè)的。該模型用于解釋在比較高的溫度下，銅酸鹽如何超導(dǎo)。費(fèi)米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型由普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授約瑟夫·亨利（Joseph Henry）榮譽(yù)物理學(xué)教授菲利普·安德森（Philip Anderson）改進(jìn)。他于1977年因磁無序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的理論研究工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“更好地了解費(fèi)米-哈伯德模型可以幫助研究人員設(shè)計(jì)類似具有超導(dǎo)性能的材料?！?Bakr說。
研究還研究了去除蛋托中的一些原子會(huì)發(fā)生什么，在網(wǎng)格中引入空洞。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，反映和在銅氧化物上所做的測(cè)量相一致。“這更證實(shí)提出的費(fèi)米 - 哈伯德模型可能是解釋我們?cè)诓牧现兴姷默F(xiàn)象的正確模型。”巴克爾說。

普林斯頓小組包括研究生Peter Brown，他進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，是該論文的第一作者。實(shí)驗(yàn)的額外貢獻(xiàn)來自物理學(xué)研究生Debayan Mitra和Elmer Guardado-Sanchez，物理學(xué)副研究學(xué)者Peter Schauss和現(xiàn)在在哥倫比亞大學(xué)的前博士后研究員Stanimir Kondov。

這項(xiàng)研究貢獻(xiàn)了對(duì)圣約瑟茅斯州立大學(xué)的埃?！す孛?，里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的艾薩·帕瓦，俄亥俄州立大學(xué)的南迪尼·特里維迪以及普林斯頓的Cyrus Fogg Brackett物理教授的理論的理解。

每個(gè)綠點(diǎn)表示單獨(dú)的鋰原子。 研究人員使用量子氣體顯微鏡來對(duì)原子進(jìn)行成像，這些原子已經(jīng)被冷卻到高于絕對(duì)零度的幾分之一并被激光固定。
來源：圖片由普林斯頓大學(xué)彼得·布朗提供