Démasquer les secrets de la phase III des supraconducteurs

Les chercheurs du JILA ont simulé la supraconductivité des atomes de strontium dans une cavité optique pour observer des phases dynamiques rares, y compris l'insaisissable phase III, qui a des implications pour la physique quantique et le développement technologique.

En physique, les scientifiques ont été fascinés par le comportement mystérieux des supraconducteurs, des matériaux capables de conduire l’électricité sans résistance lorsqu’ils sont refroidis à des températures extrêmement basses. Au sein de ces systèmes supraconducteurs, les électrons s'associent en « paires de Cooper » car ils sont attirés les uns par les autres en raison des vibrations du matériau appelé phonons.

En tant que phase thermodynamique de la matière, les supraconducteurs existent généralement dans un état d'équilibre. Mais récemment, des chercheurs du JILA se sont intéressés à faire passer ces matériaux dans des états excités et à explorer la dynamique qui en résulte. Comme indiqué dans un nouveau Nature Dans cet article, les équipes de théorie et d'expérimentation des boursiers JILA et NIST Ana Maria Rey et James K. Thompson, en collaboration avec le professeur Robert Lewis-Swan de l'Université d'Oklahoma, ont simulé la supraconductivité dans de telles conditions excitées à l'aide d'un atome-système de cavité.

Au lieu de s'intéresser à de véritables matériaux supraconducteurs, les scientifiques ont exploité le comportement des atomes de strontium, refroidis par laser à 10 millionièmes de degré au-dessus. zéro absolu et lévité dans une cavité optique construite à partir de miroirs. Dans ce simulateur, la présence ou l’absence d’une paire de Cooper était codée dans un système ou qubit à deux niveaux. Dans cette configuration unique, photonDes interactions médiées entre les électrons ont été réalisées entre les atomes à l'intérieur de la cavité.

Grâce à leur simulation, les chercheurs ont observé trois phases distinctes de dynamique supraconductrice, dont une rare « Phase III » présentant un comportement oscillatoire persistant prédit par les théoriciens de la physique de la matière condensée mais jamais observé auparavant.

Ces découvertes pourraient ouvrir la voie à une compréhension plus approfondie de la supraconductivité et de sa contrôlabilité, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour la conception de supraconducteurs uniques. De plus, cela semble prometteur pour améliorer le temps de cohérence pour les applications de détection quantique, telles que l’amélioration de la sensibilité des horloges optiques.

Identifier les phases supraconductrices

L'équipe JILA s'est concentrée sur la simulation du modèle Barden-Cooper-Schrieffer, qui décrit le comportement de la paire Cooper. Comme l’a expliqué Dylan Young, co-premier auteur et étudiant diplômé de la JILA : « Le modèle BCS existe depuis les années 1950 et est au cœur de notre compréhension du fonctionnement des supraconducteurs. Lorsque les théoriciens de la matière condensée ont commencé à étudier la dynamique hors équilibre des supraconducteurs, ils ont naturellement commencé par ce modèle.

Au cours des dernières décennies, les théoriciens de la matière condensée ont prédit trois phases dynamiques distinctes que connaîtrait un supraconducteur lors de son évolution. Au cours de la phase I, la force de la supraconductivité décroît rapidement jusqu’à zéro. En revanche, la phase II représente un état stable dans lequel la supraconductivité est préservée.

Cependant, la phase III, inédite, est la plus intrigante. « L'idée de la phase III est que la force de la supraconductivité présente des oscillations persistantes sans amortissement », a expliqué Anjun Chu, étudiant diplômé de JILA et co-premier auteur. « Dans le régime de phase III, au lieu de supprimer les oscillations, les interactions à N corps peuvent conduire à un entraînement périodique auto-généré du système et stabiliser les oscillations. L’observation de ce comportement exotique nécessite un contrôle précis des conditions expérimentales.

Pour observer cette phase insaisissable, l'équipe a tiré parti de la collaboration entre la théorie du groupe de Rey et l'expérience du groupe de Thompson pour créer une configuration expérimentale précisément contrôlée, dans l'espoir d'affiner les paramètres expérimentaux pour atteindre la phase III.

Création de simulations précises dans un environnement de cavité

Alors que les chercheurs avaient déjà tenté d’observer la phase III dans de véritables systèmes supraconducteurs, la mesure de cette phase est restée difficile à mesurer en raison de difficultés techniques. «Ils n'avaient pas les bons boutons ou mécanismes de lecture», a expliqué Young. « D'un autre côté, notre implémentation dans un système atome-cavité nous donne accès à la fois à des commandes réglables et à des observables utiles pour caractériser la dynamique. »

S'appuyant sur des travaux antérieurs, les chercheurs ont piégé un nuage d'atomes de strontium dans une cavité optique. Dans ce « simulateur quantique », les atomes ont imité des paires de Cooper et ont connu une interaction collective parallèle à l'attraction exercée par les électrons dans les supraconducteurs BCS. « Nous considérons chaque atome comme représentant une paire de Cooper », a expliqué Young. « Un atome à l’état excité simule la présence d’une paire de Cooper, et l’état fondamental représente l’absence d’une. Cette cartographie est puissante car, en tant que physiciens atomiques, nous savons comment manipuler les atomes d'une manière que vous ne pouvez tout simplement pas utiliser avec les paires de Cooper.

Les chercheurs ont appliqué ces connaissances pour induire différentes phases de dynamique dans leur simulation par un processus appelé « quenching ». Comme Young l'a expliqué : « L'extinction se produit lorsque nous modifions ou « donnons » soudainement un coup de pied à notre système pour voir comment il réagit. Dans ce cas, nous préparons nos atomes dans cet état de superposition hautement collectif entre états fondamentaux et excités. Ensuite, nous induisons une trempe en allumant un faisceau laser qui donne à tous les atomes des énergies différentes.

En changeant la nature de cette trempe, les chercheurs ont pu observer différentes phases dynamiques. Ils ont même conçu une astuce pour observer l’insaisissable Phase III, qui impliquait de diviser le nuage d’atomes en deux. « L'utilisation de deux nuages ​​d'atomes avec un contrôle séparé sur les changements d'énergie est l'idée clé pour réaliser la phase III », a fait remarquer Chu.

Dans les supraconducteurs, les niveaux d’énergie des électrons peuvent être divisés en deux secteurs, largement occupés ou à peine occupés, séparés par le niveau de Fermi. « Notre configuration dans les systèmes de spin n'a pas intrinsèquement de niveau de Fermi, nous en tenons donc compte en utilisant deux nuages ​​​​atomiques : un nuage simule les états inférieurs au niveau de Fermi, tandis qu'un autre nuage simule les autres états (quantiques) », a ajouté Chu.

Pour mesurer la dynamique du supraconducteur dans la cavité, les chercheurs ont suivi en temps réel la lumière s’échappant de la cavité optique. Leurs données ont révélé des points distincts où le supraconducteur simulé passait d’une phase à l’autre, pour finalement atteindre la phase III.

Les premières mesures de la phase III ont surpris de nombreux membres de l’équipe. Comme l’a déclaré Thompson : « En fait, voir les mouvements était extrêmement satisfaisant. » Pour sa part dans la collaboration, Rey était tout aussi enthousiaste à l’idée de voir la théorie et l’expérience s’aligner. « Du point de vue théorique, les superfluides/supraconducteurs BCS pourraient, en principe, être observés dans de véritables gaz fermioniques dégénérés, tels que ceux que Debbie Jin de JILA nous a appris à créer. Cependant, il a été difficile d’observer les phases dynamiques de ces systèmes. Nous avions prédit en 2021 que toutes les phases dynamiques du BCS pourraient se manifester dans une expérience atome-cavité. C’était tellement agréable de voir nos prédictions théoriques devenir réalité et d’observer réellement les phases dynamiques dans une expérience réelle ! »

Physique sous-jacente avec des applications plus larges

Bien que l’observation de la phase III au sein de leur système ait été une réussite importante, l’équipe a également découvert que les comportements mesurés pourraient avoir des implications plus larges au-delà de la supraconductivité. Comme l'explique Thompson : « En ce qui concerne le modèle sous-jacent que vous utilisez pour le décrire, il s'avère que ce modèle BCS a tous ces liens avec différents types de physique à différentes échelles d'énergie, de température et de temps, des supraconducteurs aux étoiles à neutrons. aux capteurs quantiques !

Rey a ajouté : « Ces observations ouvrent réellement la voie à la simulation de supraconducteurs non conventionnels dotés de propriétés topologiques fascinantes pour réaliser des ordinateurs quantiques robustes. Ce sera fantastique d’émuler même des modèles jouets de ces systèmes complexes dans notre simulateur quantique à cavité atomique.

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Strontium dévoile les secrets quantiques de la supraconductivité.

Ce travail a été soutenu en partie par le Quantum Systems Accelerator, qui fait partie du Département américain de l’énergie, de l’Office of Science et des National Quantum Information Science Research Centers.