이 이미지는 전자가 마찰 없이 재료를 통과하는 초전도 쌍을 형성하는 방법 을 보여줍니다. -- 사이언스데일리

노트북이나 스마트폰이 뜨거워지면 변환 과정에서 손실된 에너지 때문입니다. 도시 간에 전기를 전송하는 전력선도 마찬가지입니다. 실제로 생성된 에너지의 약 10%가 전기 전송 과정에서 손실됩니다. 전하를 운반하는 전자는 전원 코드와 전송선을 통해 집합적으로 이동할 때 다른 전자와 충돌하고 스쳐지나가는 자유 행위자 역할을 하기 때문입니다. 이 모든 충돌은 마찰을 일으키고 궁극적으로 열을 발생시킵니다.

그러나 전자가 짝을 이루면 마찰을 일으키지 않고 물질을 통과하여 미끄러질 수 있습니다. 이 “초전도” 동작은 매우 낮은 온도에서도 다양한 재료에서 발생합니다. 이러한 물질을 상온에 가까운 초전도로 만들 수 있다면 무열 노트북 및 전화와 같은 무손실 장치와 초고효율 전력선을 위한 길을 열 수 있습니다. 그러나 먼저 과학자들은 전자가 처음에 어떻게 쌍을 이루는지 이해해야 합니다.

이제 원자 구름에서 쌍을 이루는 입자의 새로운 스냅샷은 초전도 물질에서 전자가 쌍을 이루는 방법에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 이 스냅샷은 MIT 물리학자들이 찍은 것으로, 양성자, 중성자 및 특정 유형의 원자뿐만 아니라 전자를 포함하는 주요 입자 종류인 페르미온의 쌍을 직접 포착한 최초의 이미지입니다.

이 경우 MIT 팀은 특정 초전도 물질에서 전자의 거동을 시뮬레이션하는 조건에서 칼륨-40 원자 형태의 페르미온으로 작업했습니다. 그들은 과냉각된 칼륨-40 원자 구름을 이미지화하는 기술을 개발하여 작은 거리로 떨어져 있어도 입자가 짝을 이루는 것을 관찰할 수 있었습니다. 그들은 또한 지나가는 외로운 싱글에 의해 방해받는 쌍이 바둑판을 형성하는 방식과 같은 흥미로운 패턴과 행동을 골라낼 수 있습니다.

오늘 보고된 관찰 결과 과학, 전자가 초전도 물질에서 어떻게 쌍을 이룰 수 있는지에 대한 시각적 청사진 역할을 할 수 있습니다. 그 결과는 또한 중성자 별 내에서 어떻게 중성자가 쌍을 이루어 밀도가 높고 휘젓는 초유체를 형성하는지 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“페르미온 짝짓기는 초전도성과 핵물리학의 많은 현상의 기초가 됩니다. “그러나 아무도 현장에서 이 짝짓기를 본 적이 없었습니다. 그래서 마침내 이 이미지를 화면에서 충실하게 보는 것은 숨이 막힐 뿐입니다.”

이 연구의 공동 저자에는 Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia, MIT 물리학과, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms 및 Research Laboratory of Electronics의 모든 구성원이 포함됩니다.

괜찮은 전망

전자 쌍을 직접 관찰하는 것은 불가능한 작업입니다. 기존 이미징 기술로 캡처하기에는 너무 작고 너무 빠릅니다. 그들의 행동을 이해하기 위해 Zwierlein과 같은 물리학자들은 유사한 원자 시스템을 살펴보았습니다. 전자와 특정 원자는 크기의 차이에도 불구하고 페르미온이라는 점에서 유사합니다. 즉, “반정수 스핀”으로 알려진 특성을 나타내는 입자입니다. 스핀이 반대인 페르미온이 상호작용하면 전자가 초전도체에서, 특정 원자가 가스 구름에서 그러하듯이 쌍을 이룰 수 있습니다.

Zwierlein의 그룹은 두 가지 스핀 상태 중 하나로 준비될 수 있는 페르미온으로 알려진 칼륨-40 원자의 거동을 연구해 왔습니다. 한 스핀의 칼륨 원자가 다른 스핀의 원자와 상호 작용하면 초전도 전자와 유사한 쌍을 형성할 수 있습니다. 그러나 정상적인 상온 조건에서 원자는 캡처하기 어려운 흐릿한 상태로 상호 작용합니다.

그들의 거동을 제대로 보기 위해 Zwierlein과 그의 동료들은 입자를 약 1,000개의 원자로 구성된 매우 희석된 가스로 연구하고 원자를 크롤링하는 속도를 늦추는 초저온 나노켈빈 조건에 놓습니다. 연구원들은 또한 광학 격자, 또는 원자가 도약할 수 있는 레이저 광 그리드 내에 가스를 포함하고 연구원이 원자의 정확한 위치를 정확히 찾아내는 지도로 사용할 수 있습니다.

새로운 연구에서 연구팀은 페르미온 이미징을 위한 기존 기술을 개선하여 순간적으로 원자를 제자리에 고정한 다음 특정 스핀 또는 다른 스핀으로 칼륨-40 원자의 스냅샷을 별도로 찍을 수 있었습니다. 그런 다음 연구원들은 한 원자 유형의 이미지를 다른 원자 유형 위에 오버레이하고 두 유형이 쌍을 이루는 위치와 방법을 볼 수 있습니다.

Zwierlein은 “이러한 이미지를 실제로 찍을 수 있는 지점에 도달하는 것은 매우 어려웠습니다.”라고 말합니다. “처음에는 이미징에 큰 구멍이 생기고 원자가 사라지고 아무것도 작동하지 않는 것을 상상할 수 있습니다. 우리는 수년 동안 실험실에서 해결해야 할 매우 복잡한 문제를 겪었고 학생들은 큰 체력을 가지고 있었고 마침내 이 이미지들을 볼 수 있어서 정말 기뻤습니다.”

페어 댄스

팀이 본 것은 Hubbard 모델에 의해 예측된 원자 사이의 짝짓기 거동이었습니다. 이 이론은 비교적 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 물질인 고온 초전도체(비록 여전히 매우 추위) 온도. 이러한 물질에서 전자가 어떻게 쌍을 이루는지에 대한 예측은 이 모델을 통해 테스트되었지만 지금까지 직접 관찰된 적은 없습니다.

팀은 서로 다른 원자 구름을 수천 번 생성하고 이미지화했으며 각 이미지를 그리드와 유사한 디지털 버전으로 변환했습니다. 각 그리드는 두 가지 유형의 원자 위치를 보여줍니다(논문에서는 빨간색 대 파란색으로 표시됨). 이 지도에서 그들은 빨간색 또는 파란색 원자가 단독으로 있는 그리드의 사각형, 빨간색과 파란색 원자가 로컬로 쌍을 이루는 사각형(흰색으로 표시됨) 및 빨간색 원자가 모두 포함되지 않은 빈 사각형을 볼 수 있었습니다. 또는 청색 원자(검은색).

이미 개별 이미지는 많은 로컬 쌍과 근접한 빨간색 및 파란색 원자를 보여줍니다. 수백 개의 이미지 세트를 분석함으로써 팀은 원자가 실제로 쌍으로 나타나며 때로는 하나의 정사각형 내에서 긴밀한 쌍으로 연결되고 다른 경우에는 하나 이상의 격자 간격으로 분리된 느슨한 쌍을 형성한다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 이 물리적 분리 또는 “비국소 페어링”은 Hubbard 모델에 의해 예측되었지만 직접 관찰된 적은 없습니다.

연구원들은 또한 쌍의 집합이 더 넓은 바둑판 패턴을 형성하는 것처럼 보였고, 이 패턴은 한 쌍의 파트너가 정사각형 밖으로 모험을 떠나 일시적으로 다른 쌍의 바둑판을 왜곡할 때 형성 안팎으로 흔들리는 것을 관찰했습니다. “폴라론(polaron)”으로 알려진 이 현상도 예측되었지만 직접 본 적은 없습니다.

Zwierlein은 “이 역동적인 수프에서 입자는 끊임없이 서로의 위에서 뛰고 멀어지지만 서로 너무 멀리 떨어지지는 않습니다.”라고 말합니다.

이 원자들 사이의 짝짓기 행동은 초전도 전자에서도 발생해야 하며 Zwierlein은 팀의 새로운 스냅샷이 고온 초전도체에 대한 과학자들의 이해를 알리는 데 도움이 될 것이며 아마도 이러한 물질이 더 높고 더 실용적인 온도로 조정될 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공할 것이라고 말했습니다. .

Zwierlein은 “원자 가스를 금속의 전자 밀도로 정규화하면 이러한 짝짓기 동작이 실온보다 훨씬 높아야 한다고 생각합니다.”라고 Zwierlein은 제안합니다. “그것은 그러한 짝짓기 현상이 원칙적으로 높은 온도에서 발생할 수 있다는 많은 희망과 확신을 주며 언젠가 상온 초전도체가 없어야 하는 이유에 대한 선험적 제한이 없습니다.”

이 연구는 부분적으로 미국 국립 과학 재단, 미 공군 과학 연구실 및 Vannevar Bush Faculty Fellowship의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230706152721.htm