Квантовый имитатор материалов со сложной электронной структурой

 


В последнем выпуске журнала Science исследователи из трех университетов Германии (University of Mainz, University of Cologne, Forschungszentrum Jülich) опубликовали работу, в которой показали возможность имитации свойств электронов в реальном кристалле. При этом, ученые использовали сверххолодные фермионные атомы искусственного кристалла, сформированного интерферирующими пучками лазерного излучения (так называемая оптическая решетка – optical lattice).

Исследователи преуспели в демонстрации одного из наиболее драматических эффектов отталкивания при взаимодействии электронов. Когда взаимодействие между электронами становятся слишком сильными, металл внезапно становится изолятором, известным под именем «изолятор Мотта» (Mott-insulator). Такое состояние является одним из наиболее важных примеров строго коррелированныхсостояний в физике конденсированных сред (Фи́зика конденси́рованных сред – большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем, т.е. систем с большим числом степеней свободы, с сильной связью). Как считают авторы, здесь находится отправная точка исследований квантового магнетизма. Более того, высокотемпературная сверхпроводимость, как это было показано, вытекает из близких зависимостей.

Атомы в оптической решетке представляют образец почти идеального квантового имитатора электронов в твердом теле, поскольку в данном случае появляется возможность наблюдать очень гибкую модельную систему в чистых и хорошо контролируемых условиях. Прямое исследование сложных материалов и высокотемпературных сверхпроводников является затруднительным, поскольку в реальных кристаллических материалах имеет место беспорядок среди множества взаимодействий, происходящих одновременно.

Поэтому столь трудно идентифицировать роли специфических взаимодействий. В данной работе был проведен сложный, но блестяще продуманный эксперимент, в котором атомный газ калия в первой фазе охлаждали до температуры, близкой к абсолютному нулю. В следующей фазе создавали оптическую решетку, используя перекрывающиеся лазерные пучки. Результирующее поле – стоячая волна представляет собой квази-регулярный кристалл с сотнями тысяч индивидуальных микроловушек для атомов. Такая система аналогична матрице оптических пинцетов. Ультрахолодные атомы калия, которые в данной конфигурации играют роль электронов в реальных твердых телах, выстраиваются системно в соответствующих точках стоячей волны.

Исследуя поведение атомов под давлением с возрастающей силой взаимодействий, ученые из Johannes Gutenberg University Mainz добились контролируемого переключения системы между металлическим (проводящим) состоянием и состоянием изоляции. Предполагается, что исследования изолятора Мотта в контексте оптической решетки открывает новые возможности по моделированию и исследованию сильно коррелированных состояний и явлений, к ним относящихся.


Источник: NanoNewsNet