麻省理工学院的物理学家成功地对原子云中的粒子配对进行了成像，为超导材料中电子的行为提供了新的见解。这一发现发表在《科学》杂志上，有助于理解超导性和进一步发展无热电子产品。(艺术家的概念。)
这些图像揭示了电子是如何形成超钴的在材料间无摩擦滑动的感应副。
当你的笔记本电脑或智能手机发热时，这是由于能量在转换过程中损失了。城市间输电线路也是如此。事实上，大约10%的发电量在电力传输过程中损失掉了。这是因为携带电荷的电子是自由的，当它们在电源线和传输线中集体移动时，会与其他电子碰撞和摩擦。所有这些碰撞产生摩擦，最终产生热量。
但当电子配对时，它们可以超越摩擦，在没有摩擦的情况下在材料中滑动。这种“超导”行为发生在一系列材料中，尽管是在超冷的温度下。如果这些材料可以在接近室温的情况下超导，它们将为零损耗设备铺平道路，比如无热笔记本电脑和手机，以及超高效电线。但首先，科学家们必须首先了解电子是如何配对的。
现在，粒子在原子云中配对的新快照可以为电子在超导材料中如何配对提供线索。这些快照是由麻省理工学院的物理学家拍摄的，是第一张直接捕捉到费米子配对的图像——费米子是一种主要的粒子，包括电子、质子、中子和某些类型的原子。
麻省理工学院的物理学家们捕捉到了粒子在原子云中配对的快照，这可以为电子在超导材料中如何配对提供线索。在这个数据图中，红色和蓝色的球是向上和向下自旋的费米子，有些是成对的。白色的场地是双重占用的场地。来源:Thomas Hartke
在这种情况下，麻省理工学院的研究小组在模拟某些超导材料中电子行为的条件下，以钾-40原子的形式研究费米子。他们开发了一种技术来成像钾-40原子的过冷云，这使他们能够观察到粒子配对，即使相隔很短的距离。它们还能找出有趣的模式和行为，比如成对组成棋盘的方式，这些棋盘会被经过的孤独的单身人士扰乱。
这些观察结果发表在7月6日的《科学》杂志上，可以作为电子如何在超导材料中配对的视觉蓝图。这些结果也可能有助于描述中子是如何在中子星内成对形成密度极高的翻腾超流体的。
“费米子对是超导性和核物理学中许多现象的基础，”该研究的作者、麻省理工学院托马斯·a·弗兰克物理学教授马丁·兹维尔莱因说。“但没有人在现场看到过这种配对。所以最终在屏幕上看到这些真实的画面真是令人叹为观止。”
该研究的共同作者包括托马斯·哈特克、波顿·奥勒格、卡特·特恩博和贾宁远，他们都是麻省理工学院物理系、麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心和电子研究实验室的成员。
不错的景色
直接观察电子成对是一项不可能完成的任务。它们实在是太小太快了，无法用现有的成像技术捕捉到。为了理解它们的行为，像兹维尔莱因这样的物理学家已经把目光投向了类似的原子系统。电子和某些原子，尽管它们的大小不同，但相似之处在于它们都是费米子——一种表现出“半整数自旋”特性的粒子。当自旋方向相反的费米子相互作用时，它们可以配对，就像超导体中的电子一样，也像气体云中的某些原子一样。
Zwierlein的团队一直在研究钾-40原子的行为，钾-40原子是已知的费米子，可以在两种自旋状态中制备。当一个自旋的钾原子与另一个自旋的原子相互作用时，它们可以形成一对，类似于超导电子。但在正常的室温条件下，原子之间的相互作用是模糊的，很难捕捉到。
Zwierlein的团队一直在研究钾-40原子的行为，钾-40原子是已知的费米子，可以在两种自旋状态中制备。从左至右:卡特·特恩博、贾宁远、托马斯·哈特克、马丁·兹维尔莱因、波顿·奥勒格。来源:Thomas Hartke
为了更好地了解它们的行为，Zwierlein和他的同事们把这些粒子作为一种大约有1000个原子的非常稀的气体来研究，他们把这些原子放在超冷的纳米开氏度的条件下，使原子慢得像爬行一样。研究人员还将气体置于光学晶格或激光网格中，原子可以在其中跳跃，研究人员可以将其用作地图来确定原子的精确位置。
在他们的新研究中，研究小组对现有的费米子成像技术进行了改进，使他们能够暂时冻结原子，然后分别拍摄具有特定自旋或另一种自旋的钾-40原子的快照。然后，研究人员可以将一种原子类型的图像覆盖在另一种原子类型的图像上，并观察两种原子类型在哪里配对，以及如何配对。
Zwierlein说:“我们真的很难拍到这些照片。”“你可以想象一下，一开始你的成像出现了一个大洞，你的原子逃跑了，什么都不工作。多年来，我们在实验室里一直有非常复杂的问题需要解决，学生们有很强的毅力，最终，能够看到这些图像绝对令人兴奋。”
对舞蹈
研究小组所看到的是由哈伯德模型预测的原子之间的配对行为——一个被广泛接受的理论，被认为是高温超导体中电子行为的关键，高温超导体是在相对较高(尽管仍然很冷)温度下表现出超导性的材料。电子如何在这些材料中配对的预测已经通过这个模型进行了测试，但直到现在还没有直接观察到。
该团队创建了不同的原子云，并对其进行了数千次成像，并将每张图像转换为类似网格的数字化版本。每个网格显示了两种类型原子的位置(在他们的论文中用红色和蓝色表示)。从这些地图中，他们可以看到网格中有单独的红色或蓝色原子的正方形，红色和蓝色原子局部配对的正方形(用白色表示)，以及既不包含红色也不包含蓝色原子的空正方形(用黑色表示)。
个别图像已经显示出许多局部对，红原子和蓝原子距离很近。通过对数百张图像的分析，该团队可以证明原子确实是成对出现的，有时在一个正方形内紧密相连，有时形成松散的成对，由一个或几个网格间隔隔开。这种物理分离，或“非局部配对”，是由哈伯德模型预测的，但从未直接观察到。
研究人员还观察到，成对的集合似乎形成了一个更广泛的棋盘图案，当一对中的一个伙伴冒险离开它的方块时，这个图案会在队形中摇摆不定，并暂时扭曲其他成对的棋盘。这种被称为“极化子”的现象也被预测到，但从未直接看到过。
Zwierlein指出:“在这个动态的汤中，粒子不断地在彼此的上面跳跃，移动，但彼此之间不会跳得太远。”
这些原子之间的配对行为也必须发生在超导电子中，Zwierlein说，该团队的新快照将有助于告知科学家对高温超导体的理解，并可能为这些材料如何调整到更高，更实用的温度提供见解。
“这是一项令人兴奋的新工作，”慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的实验物理学教授伊曼纽尔·布洛赫说，他没有参与这项工作。“这是一个很好的例子，说明在这些高度控制的量子模拟实验中可以直接观察到复杂的相关性，并将刺激人们思考可以在实验中直接捕捉到的更复杂的相关性模式。”
参考文献:Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia和Martin Zwierlein, 2023年7月6日，Science，“费米-哈伯德气体中非局域费米子对的直接观测”。DOI: 10.1126 / science.ade4245
这项研究得到了美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室和Vannevar Bush教员奖学金的部分支持。
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