Pesquisadores do Dartmouth College construíram o primeiro circuito superfluido do mundo que usa pares de átomos semelhantes a elétrons ultrafrios, de acordo com um estudo publicado em Physical Review Letters .
O laboratório de testes dá aos físicos controle sobre a força das interações entre os átomos, fornecendo uma nova maneira de explorar os fenômenos por trás de materiais exóticos, como supercondutores.

"Grande parte da tecnologia moderna gira em torno do controle do fluxo de elétrons ao redor dos circuitos", disse Kevin Wright, professor assistente de física em Dartmouth e pesquisador sênior do estudo. "Ao usar átomos semelhantes a elétrons, podemos testar teorias de maneiras que não eram possíveis antes".

Embora materiais condutores como o cobre sejam bem compreendidos, os pesquisadores não entendem completamente como os elétrons se movem ou podem ser controlados em materiais exóticos como isoladores topológicos e supercondutores que podem ser úteis para construir computadores quânticos.

O novo circuito funciona como um emulador quântico para explorar como os elétrons funcionam em materiais reais, oferecendo uma maneira de analisar o movimento dos elétrons em um ambiente altamente controlável.

"Os elétrons podem fazer coisas muito mais estranhas e ricas do que se imaginava", disse Wright. "Estamos aprendendo sobre elétrons sem usar elétrons."

As partículas atômicas são bósons ou férmions. Bósons, como fótons, tendem a se agrupar. Os férmions, como os elétrons, tendem a evitar uns aos outros. Embora já existam circuitos superfluidos usando átomos semelhantes a bósons ultrafrios, o circuito de Dartmouth é o primeiro a usar átomos ultrafrios que atuam como férmions.

O circuito opera no isótopo lítio-6. Embora o lítio-6 seja um átomo completo, ele possui propriedades que o fazem agir como um elétron individual. O comportamento do átomo completo serve como um análogo para os elétrons individuais.

"Se pudéssemos dimensionar as propriedades dos átomos de lítio-6 para elétrons, eles estariam fluindo sem resistência mesmo acima da temperatura ambiente", disse Yanping Cai, o primeiro autor do artigo que escreveu o artigo como um Ph.D de Dartmouth. candidato. “Estudar esses circuitos simples pode fornecer informações sobre a supercondutividade de alta temperatura”.

A luz do laser é usada no circuito microscópico para resfriar nuvens de átomos de lítio a temperaturas próximas do zero absoluto. Uma vez que os átomos são retardados, os pesquisadores podem mantê-los no lugar, movê-los ou controlá-los de maneira que imitam como os elétrons individuais fluem em torno de circuitos supercondutores.

Ao ajustar os campos magnéticos, a equipe pode mudar a forma como os átomos interagem, fazendo com que os férmions se atraem ou se repelem com força variável, uma característica que não é possível com elétrons individuais ou outros sistemas superfluidos, como o hélio líquido.

Segundo os pesquisadores, os lasers já foram usados ​​em técnicas semelhantes em outros experimentos, mas este é o primeiro circuito atômico que pode ser ajustado dessa maneira. Os lasers também fornecem a estrutura do circuito e detectam como os átomos estão agindo.

"Nós cruzamos o limite para construir circuitos de teste com gases quânticos fermiônicos", disse Wright. "Projetar e controlar o fluxo de átomos em torno de um circuito com férmions ultrafrios da mesma maneira que é feito em um dispositivo eletrônico nunca foi realizado antes."

A abordagem permitirá aos pesquisadores estudar a formação e decaimento de "correntes persistentes" que fluem indefinidamente sem entrada de energia.

A capacidade de emular circuitos supercondutores pode abrir grandes possibilidades experimentais para testar teorias e analisar materiais com propriedades únicas. A pesquisa pode criar oportunidades para o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos que usam supercondutores e outros materiais quânticos exóticos.

Os co-autores do trabalho de pesquisa incluem Dartmouth Ph.D. candidatos Daniel Allman e Parth Sabharwal. + Explorar mais

Físicos encontram evidências de um estado exótico da matéria