Квантовый симулятор впервые раскрыл природу псевдощели в ферми-системах

Псевдощель — это загадочное состояние материи, которое долгие годы ускользало от прямого наблюдения. Впервые международной группе физиков удалось воспроизвести его на квантовом симуляторе с использованием ультрахолодных атомов лития и измерить его ключевые свойства. Этот прорыв, опубликованный в журнале Nature, приближает науку к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости — одной из самых сложных нерешённых проблем современной физики.

Псевдощель — это аномальное подавление плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми, которое наблюдается в некоторых материалах при температурах выше критической для сверхпроводимости. Долгое время учёные спорили о её природе: одни считали, что это предвестник формирования куперовских пар, другие — что она связана с магнитными корреляциями. Теперь эксперимент на квантовом симуляторе дал однозначный ответ.

Эксперимент на атомах лития

Исследователи из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института создали уникальную установку, в которой фермионы — атомы лития-6 — охлаждались до температур порядка нанокельвинов. Эти атомы удерживались в оптической решётке, создаваемой пересечением лазерных лучей. Такая система позволяет моделировать поведение электронов в кристаллической решётке и описывается моделью Ферми–Хаббарда, которая считается стандартной для изучения сильно коррелированных электронных систем.

Ключевой результат эксперимента — прямое наблюдение псевдощели в спектре одночастичных возбуждений. При определённых параметрах решётки и температуре учёные зафиксировали подавление плотности состояний вблизи уровня Ферми — характерный признак псевдощели. Измерения проводились с помощью времяпролётной томографии, которая позволяет восстановить импульсное распределение атомов и вычислить спектральную функцию.

Предыстория и контекст

Впервые псевдощель была обнаружена в 1980-х годах в купратных сверхпроводниках — материалах, которые проводят электричество без сопротивления при температурах значительно выше, чем у обычных сверхпроводников. Это открытие породило множество теорий, объясняющих природу псевдощели: от предформирования куперовских пар до скрытого порядка. Однако прямое наблюдение псевдощели в чистых, контролируемых условиях было невозможно из-за сложности реальных материалов.

Квантовые симуляторы предлагают альтернативный путь: они позволяют создавать идеализированные модели с точно заданными параметрами и измерять величины, которые в реальных материалах недоступны. Предыдущие эксперименты с фермионными атомами демонстрировали антиферромагнитный порядок и сверхпроводимость, но псевдощель оставалась неуловимой. Новая работа заполнила этот пробел.

Как это работает?

В эксперименте атомы лития-6 помещались в оптическую решётку с переменной глубиной, что позволяло контролировать силу взаимодействия между атомами. Меняя заполнение решётки и температуру, исследователи сканировали фазовую диаграмму модели Ферми–Хаббарда. Псевдощель наблюдалась в режиме сильных взаимодействий при заполнении около половины, что соответствует условиям, где ожидается d-волновая сверхпроводимость.

Измерения спектральной функции показали, что псевдощель возникает одновременно с короткодействующими антиферромагнитными корреляциями. Это подтверждает гипотезу о том, что спиновые флуктуации играют ключевую роль в формировании псевдощели. Важно, что эксперимент позволил различить два сценария: псевдощель, возникающая из-за предформирования пар, и псевдощель, связанная с магнитными корреляциями. Данные склоняются в пользу второго.

Технические подробности

Квантовый симулятор использовал около 300 тысяч атомов лития-6, охлаждённых до температур ниже 10 нанокельвинов. Оптическая решётка создавалась тремя парами встречных лазерных лучей с длиной волны 1064 нанометра, что давало период решётки около 532 нанометров. Глубина решётки варьировалась от 5 до 20 энергий отдачи, что позволяло настраивать соотношение туннелирования и взаимодействия.

Температура системы определялась по распределению атомов в гармонической ловушке с точностью до 5%. Спектральная функция измерялась методом времяпролётной томографии: атомы освобождались из решётки и регистрировались на CCD-камере, что давало импульсное распределение. Для восстановления спектральной функции использовалась обратная задача, решаемая с помощью регуляризации Тихонова.

Какие перспективы открывает это открытие?

Результаты имеют прямое значение для физики конденсированного состояния и квантовых технологий. Исследователи, работающие над высокотемпературными сверхпроводниками, получат экспериментальную базу для проверки теоретических моделей. Для разработчиков квантовых симуляторов это демонстрация того, что сложные квантовые явления могут быть воспроизведены и измерены с высокой точностью.

В долгосрочной перспективе понимание псевдощели может привести к созданию материалов со сверхпроводимостью при комнатной температуре, что произвело бы революцию в энергетике и электронике. Российские научные группы, работающие в области квантовых симуляций, также смогут использовать эти результаты для калибровки своих экспериментов.

Что будет дальше?

Исследователи планируют расширить эксперименты, изучая зависимость псевдощели от допирования и температуры с большей точностью. Следующим шагом может стать прямое наблюдение d-волновой сверхпроводимости в симуляторе, что потребует ещё более низких температур и улучшенной методики охлаждения.

Также ведутся работы по созданию симуляторов с более сложными геометриями решёток, что позволит моделировать реалистичные материалы. В перспективе квантовые симуляторы могут стать стандартным инструментом для открытия новых сверхпроводников, заменяя дорогостоящие и трудоёмкие эксперименты с реальными материалами.

Итог

Эксперимент впервые позволил напрямую наблюдать псевдощель в чистой фермионной системе и связать её с магнитными корреляциями. Это важный шаг к пониманию одного из самых загадочных явлений физики твёрдого тела. Следите за развитием этой области — возможно, мы стоим на пороге разгадки тайны высокотемпературной сверхпроводимости.