用超冷原子模拟超导材料
莱斯大学的一个物理团队用超冷原子替代电子来模拟超导材料，获得Hubbard模型所预测的反铁磁性。
这项研究是一个由实验物理学家和理论物理学家组成的国际团队开展的，并于近期公示在《自然》杂志的在线版块。团队负责人，实验物理学家Randy Hulet说：“这项工作可能会开启一个新的未知领域。”
三十年前，物理学家们发现在相对较高的温度下，电子在某些材料，如超导体内可以完全自由移动。但是高温超导体（也称非传统超导体）的超导机理尚未解决。其中一个被称为Hubbard模型的超导理论最可能完美解释高温超导机理，但是，该理论仅能用数学表达，而不能用计算机进行模拟。“Hubbard模型由一系列可以解释高温超导机理的数学方程式组成，但是即便是用最快的计算机也不能解出结果，”Hulet说道。“这就是我们进行这项研究的原因。”
Hulet的实验室专门从事冷却原子的研究，这些原子在低温下的行为可以用量子力学定律描述，它们在超导体中的运动规律也符合这些定律。
“通过用超冷原子代替电子，并用激光光束模拟真实材料的晶体结构，我们就可以建立Hubbard模型，”Hulet说道。“当我们这样做的时候，就可以获得Hubbard模型所预测的反铁磁性。这是鼓舞人心的，因为我们建立了第一个可用来研究Hubbard模型的过冷原子系统。另外，反铁磁性存在于几乎所有非传统超导体中。”
在这项研究中，Hulet和他的同事，包括博士后研究员Russell Hart和研究生Pedro Duarte开发了一项新的实验技术，可以用来在实验室冷却原子到足够低的温度，进而可以在包含约100000个格点的光学晶格中观察反铁磁有序。这项新技术可以获得比之前实验低一半的温度。
“这项技术的标准是产生超冷原子气，然后将其导入晶格并做相应测试，”Hard说道。“我们发展了一种称作‘补偿光学晶格’的方法，用以蒸发已经存在于晶格中的超冷原子，进而控制样品密度，这对形成反铁磁有序是十分重要的。”
Hulet说这项研究的另一个创新点在于，用被称作布拉格散射的技术观察具有反铁磁有序的对称晶面。
他说，研究团队需要发展一项全新的技术，来满足对形成超导电性的关联电子对的测量。同时，他们也需要想办法获得比现在温度低十倍的低温样品。
“我们脑中有些想法等待实现，”Hulet说道。“通过优化现有技术和发展新技术，我们一定能够获得更低温度的样品，然后获得完整的反铁磁有序态，进而得到d波电子配对状态，最终确定其是否存在于Hubbard模型中。”
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科技前沿
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项目成果
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