Fra superleder til BEC - hele vejen!

Brudt symmetri, superledning og Goldstone modes. Kvantesimulator bekræfter teori i samarbejde mellem Aarhus, Helsinki og Melbourne

03.07.2017 | Ole J. Knudsen

Energien afhænger af bølgefunktionens størrelse |ψ| men ikke af dens fase θ. Svingninger i |ψ| leder til eksistensen af Higgs-bosonen, mens svingninger i θ leder til Goldstone modes.

Goldstone modes observeret i kold Lithium-gas

En speciel slags lydbølger kaldet Goldstone modes er observeret for første gang i en neutral fermionisk superleder bestående af ultrakolde 6Li-atomer. En vigtig ting er, at de eksperimentelle resultater passer med de teoretiske modeller udviklet bl.a. i Aarhus.  Eksistensen af disse Goldstone modes bekræfter dermed vores fundamentale forståelse for den mekanismen bag superledning: Nemlig at den fundamentalt set er en konsekvens af, at superlederen spontant bryder en  kvantemanisk fase-symmetri. Det banebrydende resultat er et eksempel på, hvordan kolde atomare gasser kan bruges som kvantesimulatorer til at udforske problemer, som ligger langt udenfor klassiske computeres rækkevidde.

 

Artiklen er netop publiceret i Nature Physics. Titlen er:

Goldstone mode and pair-breaking excitations in atomic Fermi superfluids

Kvantecomputere og kvantesimulatorer

Kvantecomputere er ved at blive det nye sort indenfor fysik og IT-udvikling. Grundideen er, at man ved at udnytte kvantemekaniske effekter kan 'overhale' problemer i den konventionelle fysik, hvor vi er ved at nå grænsen for de fysiske muligheder for at gøre computerne hurtigere og mindre. Der går desværre nok et godt stykke tid, før vi kan købe en kvantecomputer i butikkerne.

Der findes dog en anden type computere, som i en vis forstand går den modsatte vej. De kan kun løse ét helt bestemt problem, men det kan de til gengæld gøre yderst effektivt. Dem kalder vi kvantesimulatorer, og de findes allerede rundt omkring i verden.

Teori og eksperiment i internationalt samarbejde

En forskergruppe med deltagere fra Melbourne, Australien, Helsinki i Finland og Aarhus Universitet har netop offentliggjort resultatet fra en sådan ny type kvantesimulator. Det er et samarbejde imellem teoretikere og eksperimentalfysikere, og Georg M. Bruun fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet står for en stor del af det teoretiske arbejde.

I kvantemekanikkens maskinrum

Emnet er noget, som ligger dybt nede i kvantemekanikkens maskinrum, men man behøver ikke være kvantemekaniker for at forstå de generelle principper! Det handler om to fænomener: superledning, og om den meget kolde tilstandsform for stof, som kaldes et Bose-Einstein-kondensat (BEC).

Superledning er en tilstand i stof, hvor den elektriske strøm ikke møder nogen modstand overhovedet. Effekten har været kendt i et halvt århundrede, men det tog 20 år før forskerne fik en forståelse af, hvad der faktisk sker i stoffet. I mange år har man forsøgt at fremstille materialer, som er superledende ved stuetemperatur. Det vil have enorme teknologiske og energimæssige konsekvenser, hvis man for eksempel kan sende strøm igennem ledninger uden at tabe energi ved elektrisk modstand. Superledning skyldes at elektronerne, som er såkaldte fermioner, binder sig sammen parvis i noget, som kaldes Cooper par. Når de danner disse Cooper-par, vælger de en bestemt fase for de en symmetri for deres bølgefunktion, hvilket betyder, at de bryder en underliggende fasesymmetri.

 Et BEC er en særlig måde, som partikler, som er bosoner,  pakker sig sammen på ved ekstremt lave temperaturer.  Tilstanden er ret godt forstået på et teoretisk niveau. Endnu har det ikke nogen praktiske anvendelser, men det er for eksempel i et BEC, at det er lykkedes at standse lys og sætte det i gang igen.

 Fermioner og bosoner er på mange måder hinandens diamentrale modsætninger, og man skulle derfor tro, at superledning af elektroner og Bose-Einstein kondensation ikke har meget med hinanden at gøre. Men faktisk er de to fænomener nært beslægtede. Faktisk viser det sig, at man under særlige, ultrakolde forhold kan få stof til at ændre sig fra den ene tilstand; den superledende tilstand af fermioner, til at være et Bose-Einstein-kondensat og tilbage igen. Overgangen er teoretisk en så kompliceret proces, at det hidtil har været umuligt at følge den i detaljer, og dermed få en dyb forståelse af, hvad der sker.  Her træder kvantesimulatoren til!

 Fra superleder til BEC

Forskerne i Melbourne har haft held til at udtænke et forsøg, hvor de langsomt ændrer en meget kold gas af 6Li-atomer fra at være superledende væske af fermioner til at være et BEC, og de har tilmed kunnet følge og måle på overgangsprocessen hele vejen. Det har gjort det muligt for teoretikerne blandt andet i Aarhus at kontrollere, om vores fundamentale teori for superledning og Bose-Einstein kondensation faktisk er rigtig. Eksperimentet og sammenligningen med teoretiske beregninger viser, at vores forståelse faktisk passer trin for trin med den virkelige verden!

Fig. 2: To lasere rammer en ultrakold sky af 6Li-atomer, og eksiterer dermed vibrationer i fasen θ, i.e. Goldstone modes. Vibrationerne giver anledning til svingninger i tætheden (lydbølger).

Brudt symmetri og faseovergange

For at komme lidt dybere i det aktuelle forskningsresultat skal vi have en fornemmelse af to grundbegreber: symmetribrud og faseovergang.  I begge tilfælde handler det om kvantemekaniske fænomener, som vi ikke har nogen hverdagsagtige erfaringer med, så det bedste, vi kan gøre, er at finde en analogi.

En almindelig jernmagnet er et klassisk (men i bund og grund kvantemekanisk forklaret) eksempel på symmetribrud. I et almindeligt stykke jern vender elektronerne i tilfældige retninger - fysikerne taler i den forbindelse lidt bagvendt om, at der hersker høj symmetri. Køler man jernet ned, eller anbringer man det i et kraftigt magnetfelt, så ordnes elektronernes såkaldte spinretninger ind efter hinanden i store områder i stoffet, og hvis man får nok til at vende på samme måde, bliver jernet permanent magnetisk - der er sket et symmetribrud.

En faseovergang kender vi, når vi glemmer en flaske vand i fryseren. Det flydende vand bliver ved nedkøling til den faste is.

Forklaringen på superledning fordrer, at der i superlederen også brydes en symmetri: Nemlig fasesymmetrien af den kvantemekaniske bølgefunktion, der beskriver de superledende Cooper-par. Bølgefunktionen vælger simpelthen at have en bestemt fase. En direkte konsekvens af denne model er, superlederen kan udføre egensvingninger i fasen, som giver anledning til superstrømme og lydbølger. Disse egensvingninger kaldes Goldstone-modes. Det er en slags lydbølger, som transporterer elektronerne i superlederen. Problemet er, at Goldstone-modes aldrig er observeret i en superleder! Grunden er, at elektronernes elektriske Coulomb-frastødning er så stærk, at den fuldstændigt dominerer lydbølgernes opførsel. Dermed har man ikke kunnet kontrollere, om teorien passer.

 

Fig. 3: Goldstone moden ses som en bred top i spektret. Punkterne er de eksperimentelle resultater og det farvede område er teori.

Her kommer kvantesimulatoren så ind:

I forsøget nedkøles en gas af 6Li-atomer så meget, så gassen opfører sig som et superledende materiale. De 6Li-atomer er fermioner kaldes tilstanden for en Fermigas. Atomerne pakker sig pænt og velopdragent to og to i såkaldte Cooper-par, hvad der svarer til symmetribruddet, fuldstændigt som elektronerne i en superleder. Her er der dog tale om atomer, som til forskel fra elektroner ikke er ladede, så der er ingen Coulomb-frastødning, hvilket viser sig at være en afgørende fordel!  Med et par lasere puffer forskerne så rytmisk til atomerne i gassen, og på den måde lykkedes det de at observere Goldstone-modes i en superleder for første gang!

Puffer man med laserne hårdere til parrene af Lithiumatomer, skubbes de efterhånden længere og længere fra hinanden, og til sidst slipper de koblingen til hinanden, så symmetrien genetableres - det som svarer til, at opvarme jernmagneten så meget, at den ikke længere er magnetisk. Under hele denne afkobling svarede lydbølgernes opførsel ganske til de teoretiske beregninger, og det var en glædelig overraskelse, for det er notorisk svært at forudsige egenskaber af stærk vekselvirkende kvantesystemer. Endelig blev lydbølgerne målt i grænsen, hvor atomerne var bundne i molekyler, som dannede et såkaldt Bose-Einstein kondensat (BEC). Igen passede de eksperimentelle resultater med teorien bl.a. udviklet i Aarhus.  

Fysiske forsøg simulerer kompliceret teori

Det nye resultat er et eksempel på, hvordan ultrakolde atomare kvantegasser kan bruges som en kvantesimulator. Atomare gasser er nemlig meget fleksible, og man kan så at sige skræddersy deres egenskaber til at udforske kvantemekaniske problemer, som er alt for komplicerede til at løse på en klassisk computer. De kan derfor forstås som højt specialiserede kvantecomputere, der kan løse et bestemt problem, som umuligt kan løses på en klassisk computer. I modsætning til en generel kvantecomputer, bruges disse kvantesimulatorer allerede med stor succes i en lang række laboratorier verden over.

Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende, Institut for Fysik og Astronomi