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《揭示超导体之谜：需要仔细观察Ames实验室的新领域》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2018-05-13

  • 美国能源部的Ames实验室已经成功地证明，一种新型的光学磁力仪，即NV磁力镜，可以映射超导材料的一个独特特征，与零电阻一起定义超导性本身。

    这一独特的特征是迈斯纳效应，即材料向超导状态转变时磁场的排除。

    “迈斯纳效应是真正的超导体的标志性特征，它将其与具有零电阻的假想完美金属分开，”Ames实验室物理学家，低温超导性和磁性方面的专家Ruslan Prozorov说：“这在原则上很好，但在真正的超导材料中，迈斯纳效应相当复杂。超导样品对磁场的强烈屏蔽和磁场冷却时的Meissner排斥可能会造成混淆。这种影响实际上非常脆弱和脆弱，难以观察。”

    到目前为止，物理学家已经能够观察到迈斯纳效应，但无法想象其在材料中的空间分布以及不同超导化合物之间的差异。

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  • 《美国天体物理联合实验室（JILA）对原子钟中的超级交换相互作用展开研究》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-06-24
    • 创造世界上最精确的时钟面临的挑战在于，即使是极其微小的偏差也会限制其精度。原子钟依赖于原子状态的相干演化，是人类已知最精确的时间测量装置。然而，要达到这种精度水平，需要深入理解原子之间的相互作用，尤其是在将大量原子密集排列以增强信号强度时。 在最近发表于《Science》期刊（DOI：10.1126/science.ado5987）的一项研究中，来自美国天体物理联合实验室（JILA）和美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究员以及科罗拉多大学博尔德分校的物理教授Jun Ye和Ana Maria Rey深入探讨了原子之间的相互作用，重点关注在三维光学晶格中发生的超交换过程。 超交换相互作用的作用 超交换相互作用是最近邻原子自旋之间的二阶隧穿过程。这些相互作用对于理解反铁磁性和超导性等磁性现象至关重要。在原子钟的背景下，超交换相互作用会影响时钟的相干时间和精度。 要理解超交换的概念，可以想象一场接力赛，接力棒在传递给最后一名选手之前会经过几个中间人。类似地，在超交换相互作用中，原子通过虚拟隧穿过程交换自旋，从而产生相干的自旋动力学。这种相互作用通常很微弱，如果不是为了追求尽可能高的时钟精度，研究人员可能会忽略它。 在研究中，研究人员使用了一种核自旋极化的87Sr原子的退化费米气体，并将其加载到三维光学晶格中。通过调节晶格的约束条件并应用成像光谱学，他们绘制出了有利于原子相干的区域。时钟激光将每个原子准备在两个电子态的相干叠加态中，这可以被视为一个伪自旋1/2。时钟激光的传播效应引入了一个自旋轨道耦合相位，将海森堡自旋模型转变为具有XXZ型自旋各向异性的模型。 论文的第一作者William Milner解释说：“你希望尽可能多地使用原子，以获得最高的精度。当你将它们装入这个三维晶格时，它们开始相互作用。这些原子可以相互‘交流’，因此你不能再将它们视为孤立的原子。” 实验装置涉及一个高度填充的Sr三维晶格，原子被限制在晶格的基带中。研究人员采用拉姆齐光谱学来测量原子的相干性并观察超交换相互作用。这种技术使他们能够直接探测超交换相互作用的相干特性，持续时间可达数秒。 平衡相互作用 研究的一个关键发现是识别了原子相干性最大化的条件。通过改变晶格的约束条件，研究人员观察到s波和p波相互作用如何导致去相干和原子损失。这些相互作用可以通过平衡来实现最佳的相干时间，这对于光学晶格钟的精度至关重要。想象一下用两个体重不同的孩子来平衡一个跷跷板。为了达到平衡，你需要仔细调整他们的位置。类似地，在光学晶格中，研究人员平衡了s波和p波相互作用，以最小化去相干。 然而，在深度横向约束条件下，研究人员直接观察到了相干的超交换相互作用，这种相互作用可以通过现场相互作用和位点间能量转移进行调节。米尔纳进一步解释说：“在这个条件下，超交换相互作用才会出现。这些高阶相互作用的发生是因为原子不能自由移动，但它们可以虚拟地跳到一个位点上，然后再跳回来，同时交换自旋。” 研究直接观察到了超交换动力学，这些动力学表现为拉姆齐条纹对比度的振荡，持续时间达数秒。这些观察结果被一个各向异性的晶格自旋模型很好地捕捉到，由于自旋轨道耦合相位的存在，该模型打破了海森堡SU(2)对称性。此外，实验还展示了通过晶格强度和势能梯度直接调节相互作用的能力。 提升时钟性能 光学晶格钟正在推动基础物理、计量学和量子模拟领域的发展。通过控制超交换相互作用，研究人员能够提升这些时钟的性能，从而实现更精确的时间测量，并为量子磁性和自旋纠缠提供新的见解。 正如一支精心调校的管弦乐队能够呈现出完美的演奏一样，一个受控良好的光学晶格钟可以达到前所未有的精度。实验表明，通过调节晶格约束并控制超交换相互作用，研究人员能够优化时钟的相干时间。这有望进一步推动时间测量技术的发展，并为量子技术开辟新的应用领域。 Milner指出：“通过改变约束条件，你可以让这些超交换相互作用变得非常小，几乎可以忽略不计。另一方面，利用这些相互作用来创建纠缠态是有可能的，这将使精度得到进一步提高。” Jun Ye教授组的博士后Stefan Lannig补充说：“我们希望在三维晶格中捕获原子，以获得尽可能多的原子数量，从而实现最高的精度，但同时希望样品尽可能小。这有助于我们消除背景效应，达到最佳性能。” 展望未来，这项研究为利用光学晶格钟探索量子磁性和自旋纠缠开辟了新的途径。通过利用超交换相互作用的相干特性，科学家可以更深入地探究多体系统的量子动力学。这可能会带来基础物理学理解方面的突破，并推动先进量子技术的发展。 Jun Ye教授组的这项研究是原子钟和量子计量学领域的一个重要进步。通过揭示超交换相互作用的复杂性，研究人员为提高光学晶格钟的精度和性能奠定了基础。JILA的研究人员正在通过调控原子之间的相互作用，揭开时间本身的奥秘，推动完美时间测量的边界。 这项研究得到了美国能源部量子系统加速器中心、国家科学基金会量子跃迁挑战研究所（QLCI）、JILA物理前沿中心、V. Bush奖学金以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
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  • 《JILA研究人员使用量子模拟器观测到长期预测的超导体特性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
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    • 超导性使物理学看起来像魔术。在低温下，超导材料允许电流无限期流动，同时排出外部磁场，使其悬浮在磁铁上方。核磁共振成像、磁悬浮列车和高能粒子加速器使用超导性，超导性在量子计算、量子传感器和量子测量科学中也发挥着至关重要的作用。总有一天，超导电网可能会以前所未有的效率输送电力。 然而，科学家们缺乏对传统超导体的完全控制。这些固体材料通常包括多种复杂结构的原子，这些原子在实验室中很难操作。当温度或压力突然变化，使超导体失去平衡时，更难研究会发生什么。 量子理论预测了超导体脱离平衡时的有趣行为。但在实验室中对这些材料进行扰动而不破坏其微妙的超导特性一直是一项挑战，这使得这些预测未经测试。 然而，科学家们可以通过在气体中使用完全可控的原子阵列来研究超导性，从而获得令人惊讶的深刻见解。这是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的研究合作方法。 在他们的最新工作中，JILA的研究人员使锶原子气体像超导体一样发挥作用。尽管锶原子本身不是超导的，但它们遵循相同的量子物理规则。研究人员可以使气体中的原子相互作用，以保持超导性的相互作用，同时抑制其他竞争性的复杂相互作用。通过使原子脱离平衡，研究人员看到了原子相互作用的变化，这将影响实际超导体的性质。 通过锶气体作为“量子模拟器”，研究人员能够观察到超导体的行为，这种行为已被预测存在多年。这项发表在《Nature》期刊上的研究为超导体在适当地脱离平衡时如何工作提供了新的见解，并揭示了如何使超导体更加坚固，以及如何在其他量子技术中使用其独特特性。 “这些东西有多坚固？” 在正常材料中，电子以不相干的方式移动，不断地相互碰撞；通常情况下，电子相互排斥。当它们移动时，会发生碰撞，失去能量并产生热量；这就是为什么当电子在金属丝中流动时电流会消散的原因。然而，在超导体中，电子结合成弱键对，称为库珀对。当这些对形成时，它们都倾向于连贯地移动，这就是为什么它们在材料中流动时没有阻力。 NIST和JILA研究员、理论物理学家Ana Maria Rey解释说，物理学在某种意义上很简单。库珀对以低能态存在，因为材料晶体结构中的振动将电子拉在一起。当形成时，库珀对更喜欢连贯一致地行动并锁定在一起。库珀对有点像“箭头”，希望在同一方向上排列。Rey解释说，要解锁它们或使其中一个箭头指向不同的方向，你需要添加额外的能量来打破库珀对。你需要添加的能量来解锁它们，这被称为能量缺口。原子之间更强的相互作用会产生更大的能隙，因为保持库珀对锁定的吸引力非常强。克服这种能量差距会让库柏组合失去很多能量。因此，这个能隙起到了缓冲作用，让库珀对保持愉快的相位锁定。 当系统处于平衡状态时，这一切都会起作用。但是，当你引入一种突然、快速的变化时，超导体就会失去平衡，或者变得“淬火”。JILA物理学家James Thompson说，几十年来，科学家们一直想知道，在突然但强度不足以完全打破库珀对的淬火后，超导电性会发生什么。 Thompson说：“换句话说，这些东西有多坚固？”。 理论家们预测了超导体被淬火时可能发生的三种不同的可能性或阶段。Thompson说，把它想象成一大群广场舞者。起初，每个人都是同步的，紧跟着音乐的节拍。然后有些人有点累了，或者有些人开始移动得有点太快了，他们撞到了一起，然后变成了一个巨大的坑。这是第一阶段，超导电性崩溃。在第二阶段，舞者脱离节奏，但设法保持同步。超导性经受住了淬火。科学家们已经能够观察和研究这两个阶段。 但他们从未见过长期预测的第三阶段，即系统的超导性随时间振荡。在这个阶段，我们的舞者有时会移动得更快或更慢，但没有人崩溃。这意味着有时它是较弱的超导体，有时它是较强的超导体。到目前为止，还没有人能够观察到第三阶段。 “一切都在流动” Thompson在JILA激光器的团队与Rey的理论小组合作，将锶原子冷却并加载到光学腔中，光学腔的两端都有高反射镜。激光来回反弹数百万次，然后一些光从一端泄漏出去。 Rey解释说，空腔中的光介导了原子之间的相互作用，使它们排列成叠加态——这意味着它们同时处于激发态和基态——并像库珀对一样锁定相位。 使用激光，科学家们可以对系统进行淬火，并通过测量泄漏的光，了解能隙是如何随着时间的推移而变化的。通过这种量子超导体模拟，他们首次能够观察到所有三个动态相。 他们发现，在第三相，即使系统失去平衡，能隙也能保持超导性。使用这样的量子模拟器可以帮助科学家设计出非常规或更坚固的超导体，并更好地理解超导体的物理特性。 对于从事测量科学工作的科学家来说，这也是一种违反直觉的方式，将原子相互作用，比如导致能量差距的相互作用，视为一种好处，而不是诅咒。 Rey说：“在测量科学中，相互作用通常是不好的。但在这里，当相互作用很强时，它们可以帮助你。间隙保护系统——一切都在流动。”。“在这个想法的核心，你可以有一些永远振荡的东西。” Thompson补充道，拥有永远振荡的东西是量子技术的梦想，因为这将使传感器更好地工作更长时间。就像超导体一样，量子传感器中的原子、光子和电子组需要保持同步或相干才能工作，我们不希望它们变成量子大坑或“去相位”。 Thompson说：“我很高兴我们观察到的一个动力学相位可以用来保护量子光学相干性不受去相位的影响。例如，这可能有一天会让光学原子钟运行得更长。”。“它代表了一种提高量子传感器精度和灵敏度的全新方式，这是量子计量学或测量科学的前沿课题。我们希望利用众多原子，利用相互作用构建更好的传感器。”
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