Na física, os cientistas têm ficado fascinados pelo comportamento misterioso dos supercondutores – materiais que podem conduzir eletricidade com resistência zero quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. Dentro desses sistemas supercondutores, os elétrons se unem em “pares de Cooper” porque são atraídos um pelo outro devido a vibrações no material chamado fônons.



Como uma fase termodinâmica da matéria, os supercondutores normalmente existem em um estado de equilíbrio. Mas recentemente, pesquisadores da JILA ficaram interessados ​​em colocar esses materiais em estados excitados e explorar a dinâmica resultante. Conforme relatado em uma nova Nature artigo, as equipes teóricas e experimentais dos bolsistas JILA e NIST Ana Maria Rey e James K. Thompson, em colaboração com o Prof. Robert Lewis-Swan da Universidade de Oklahoma, simularam a supercondutividade sob tais condições excitadas usando um sistema de cavidade atômica.

Em vez de lidar com materiais supercondutores reais, os cientistas aproveitaram o comportamento dos átomos de estrôncio, resfriados a laser a 10 milionésimos de grau acima do zero absoluto e levitados dentro de uma cavidade óptica construída a partir de espelhos.

Neste simulador, a presença ou ausência de um par de Cooper foi codificada em um sistema de dois níveis ou qubit. Nesta configuração única, interações mediadas por fótons entre elétrons foram realizadas entre os átomos dentro da cavidade.

Graças à sua simulação, os investigadores observaram três fases distintas da dinâmica supercondutora, incluindo uma rara “Fase III” apresentando comportamento oscilatório persistente previsto por teóricos da física da matéria condensada, mas nunca antes observado.

Estas descobertas podem abrir caminho para uma compreensão mais profunda da supercondutividade e da sua controlabilidade, oferecendo novos caminhos para a engenharia de supercondutores únicos. Além disso, é promissor para melhorar o tempo de coerência para aplicações de detecção quântica, como melhorar a sensibilidade dos relógios ópticos.

Identificando fases supercondutoras

A equipe JILA se concentrou na simulação do modelo Barden-Cooper-Schrieffer, que descreve o comportamento do par Cooper. Como disse o co-autor e estudante de pós-graduação da JILA, Dylan Young:"O modelo BCS existe desde 1950 e é fundamental para a nossa compreensão de como funcionam os supercondutores. Quando os teóricos da matéria condensada começaram a estudar a dinâmica fora de equilíbrio dos supercondutores, eles naturalmente começaram com este modelo."

Nas últimas décadas, os teóricos da matéria condensada previram três fases dinâmicas distintas que um supercondutor experimentaria quando evolui. Na Fase I, a força da supercondutividade decai rapidamente para zero. Em contraste, a Fase II representa um estado estacionário em que a supercondutividade é preservada.

No entanto, a Fase III, anteriormente não observada, é a mais intrigante. “A ideia da fase III é que a força da supercondutividade tenha oscilações persistentes sem amortecimento”, explicou o estudante de graduação e co-autor do JILA, Anjun Chu.

"No regime de fase III, em vez de suprimir as oscilações, as interações de muitos corpos podem levar a um impulso periódico autogerado para o sistema e estabilizar as oscilações. Observar esse comportamento exótico requer um controle preciso das condições experimentais."

Para observar esta fase indescritível, a equipe aproveitou a colaboração da teoria do grupo de Rey e do experimento do grupo de Thompson para criar uma configuração experimental controlada com precisão, na esperança de ajustar os parâmetros experimentais para alcançar a Fase III.

Criando simulações precisas em uma configuração de cavidade

Embora os investigadores tenham tentado anteriormente observar a Fase III em sistemas supercondutores reais, a medição desta fase permaneceu indefinida devido a dificuldades técnicas. “Eles não tinham os ‘botões’ ou mecanismos de leitura corretos”, explicou Young. "Por outro lado, a nossa implementação num sistema de cavidade atómica dá-nos acesso a controlos ajustáveis ​​e a observáveis ​​úteis para caracterizar a dinâmica."

Com base em trabalhos anteriores, os investigadores prenderam uma nuvem de átomos de estrôncio dentro de uma cavidade óptica. Neste "simulador quântico", os átomos emularam pares de Cooper e experimentaram uma interação coletiva paralela à atração experimentada pelos elétrons nos supercondutores BCS.

“Pensamos em cada átomo como representando um par de Cooper”, explicou Young. "Um átomo no estado excitado simula a presença de um par de Cooper, e o estado fundamental representa a ausência de um. Este mapeamento é poderoso porque, como físicos atômicos, sabemos como manipular átomos de maneiras que você simplesmente não consegue com Cooper pares."

Os pesquisadores aplicaram esse conhecimento para induzir diferentes fases de dinâmica em sua simulação por um processo conhecido como “extinção”. Como Young disse:"A extinção ocorre quando repentinamente mudamos ou 'chutamos' nosso sistema para ver como ele responde. Nesse caso, preparamos nossos átomos neste estado de superposição altamente coletivo entre os estados fundamental e excitado. Então, induzimos uma extinção por ligando um feixe de laser que fornece energias diferentes a todos os átomos."

Ao mudar a natureza dessa extinção, os pesquisadores puderam ver diferentes fases dinâmicas. Eles até inventaram um truque para observar a indescritível Fase III, que envolvia dividir a nuvem de átomos ao meio. “Usar duas nuvens de átomos com controle separado sobre as mudanças de energia é a ideia chave para alcançar a Fase III”, observou Chu.

Nos supercondutores, os níveis de energia dos elétrons podem ser divididos em dois setores, amplamente ocupados ou pouco ocupados, separados pelo nível de Fermi. "Nossa configuração em sistemas de spin não tem intrinsecamente um nível de Fermi, então levamos isso em consideração usando duas nuvens atômicas:uma nuvem simula os estados abaixo do nível de Fermi, enquanto outra nuvem simula os outros estados [quânticos]", acrescentou Chu.

Para medir a dinâmica do supercondutor dentro da cavidade, os pesquisadores rastrearam o vazamento de luz da cavidade óptica em tempo real. Seus dados encontraram pontos distintos onde o supercondutor simulado fez a transição entre as fases, eventualmente alcançando a Fase III.

Ver as primeiras medições da Fase III surpreendeu muitos membros da equipe. Como afirmou Thompson:"Na verdade, ver as manobras foi extremamente satisfatório." Por sua parte na colaboração, Rey ficou igualmente animada ao ver a teoria e o experimento se alinharem.

"Do lado da teoria, os superfluidos/supercondutores BCS poderiam, em princípio, ser observados em gases fermiônicos degenerados reais, como aqueles que Debbie Jin, da JILA, nos ensinou a criar. No entanto, tem sido difícil observar as fases dinâmicas nestes sistemas. Previmos em 2021 que todas as fases dinâmicas do BCS poderiam se manifestar em um experimento de cavidade atômica. Foi tão bom ver nossas previsões teóricas se tornarem realidade e realmente observar as fases dinâmicas em um experimento real.

Física subjacente com aplicações mais amplas

Embora a observação da Fase III no seu sistema tenha sido uma conquista significativa, a equipa também descobriu que os comportamentos medidos poderiam ter implicações mais amplas para além da supercondutividade. Como Thompson elaborou:"Em termos do modelo subjacente que você usa para descrevê-lo, verifica-se que este modelo BCS tem todas essas conexões com diferentes tipos de física em diferentes escalas de energia, escalas de temperatura e escalas de tempo, de supercondutores a estrelas de nêutrons. para sensores quânticos."

Rey acrescentou:"Essas observações realmente abrem um caminho para simular supercondutores não convencionais com propriedades topológicas fascinantes para a realização de computadores quânticos robustos. Será fantástico emular até mesmo modelos de brinquedo desses sistemas complexos em nosso simulador quântico de cavidade atômica."

Mais informações: Observando fases dinâmicas de supercondutores BCS em um simulador QED de cavidade, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06911-x, www.nature.com/articles/s41586-023-06911-x
Informações do diário: Natureza

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