Физики из Гарвардского университета создали двумерный антиферромагнетик из холодных атомов лития, захваченных в оптическую решетку. Эта система — квантовое воплощение модели Ферми-Хаббарда, объясняющей поведение электронов в твердых телах. Прямые расчеты, связанные с этой моделью, становятся чрезвычайно сложными уже начиная с двумерного пространства. Использование квантовых аналогов призвано помочь ученым. Модель Ферми-Хаббарда поможет физикам в поиске высокотемпературных (и, возможно, комнатнотемпературных) сверхпроводников — в ее рамках предсказано, что при определенной доле примесей антиферромагнетики становятся сверхпроводниками. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает PhysicsWorld.

Оптические решетки — периодические конструкции, возникающие при интерференции нескольких лазерных лучей. Они формируют электромагнитное поле сложной формы с периодически расположенными максимумами и минимумами — аналогичные поля возникают в кристаллах реальных веществ. Такое поле может играть роль ловушки для атомов — если энергия (температура) частиц достаточно мала, то оптическая ловушка будет удерживать их. Поведение атомов в такой решетке будет повторять поведение электронов в твердом теле, но в отличие от твердого тела, оптическую решетку легко модифицировать, что делает ее удобным модельным объектом.

Слева — фотография атомов лития, полученная с помощью фермионной микроскопии, справа — модель атомарной решетки, соответствующая этому расположению. A Mazurenko et al. / Nature, 2017

Модель Ферми-Хаббарда — одно из приближений в физике твердого тела, которое позволяет описывать поведение системы частиц (электронов) в периодическом потенциале (как в кристаллической решетке) при низких температурах. Модель Хаббарда может предсказывать и описывать фазовые переходы вроде проводник-диэлектрик для различных систем и материалов. Так, с помощью этой модели было предсказано существование Моттовских изоляторов — веществ, которые согласно зонной теории должны быть проводниками, но в реальности оказываются изоляторами. Причина такого поведения заключается в том, что стандартная зонная теория не учитывает взаимодействия между электронами в твердых телах, которое в случае моттовских изоляторов оказывается ключевым.

Получить точные решения для модели Хаббарда можно лишь для одномерных систем, в которых все частицы перемещаются и взаимодействуют вдоль одной оси. Уже при переходе к плоским системам, важным для описания сверхпроводящих материалов, модель оказывается слишком сложной для компьютерных вычислений. 

Авторы новой работы создали в некотором смысле квантовый вычислитель — искусственную систему, соответствующую двумерной модели Хаббарда. В качестве такого периодического потенциала в нем выступает оптическая решетка, а роль электронов играют холодные атомы изотопа лития-6. Исследователям удалось преодолеть проблему, с которой сталкивались предыдущие попытки реализации системы, — охлаждение атомов до достаточно низких температур. Если в ранних работах холодные атомы вели себя как электроны твердого тела, нагретого до 1000 кельвинов, то в новой работе ученым удалось опустить эту моделируемую температуру до 100–200 кельвинов, что больше соответствует «условиям работы» сверхпроводников.

Схема эксперимента. A Mazurenko et al. / Nature, 2017

Оптическая решетка состояла из двух основных областей: центрального диска, в котором создавалась квадратная периодическая решетка, и его окружения — более разреженной среды, в которой также удерживались атомы лития. Это позволило эффективнее отводить тепло от центрального «кристалла». Благодаря технике фермионной микроскопии ученые обнаружили, что при полном заполнении «кристалла» литий-6 вел себя подобно электронам в антиферромагнетике. Этот тип магнитных материалов отличается особым упорядочением: спины электронов соседних атомов в нем направлены в противоположных направлениях. Физикам удалось контролируемо допировать такой антиферромагнетик дырками — исключая часть атомов лития. Это позволило исследовать фазовую диаграмму модели и определить, насколько систему необходимо допировать, чтобы разрушить магнитное упорядочение. По словам авторов работы, при более эффективных схемах охлаждения в такой установке можно достигнуть сверхпроводящего состояния. Для этого необходимо дополнительно снизить температуру атомов в пять раз.

Фазовая диаграмма в модели Хаббарда. Перемещение влево соответствует увеличению допирования, вверх — увеличению температуры. A Mazurenko et al. / Nature, 2017

Как отмечает Тьерри Джиамарчи, физик из Университета Женевы, это первый эксперимент, в котором удалось охладить атомы настолько, чтобы возникло магнитное упорядочение. 

С помощью оптических ловушек физики создают искусственные состояния материи, такие как кристаллы времени. Эти объекты изменяют свое состояние во времени периодически, подобно вечным маятникам без трения. В 2015 году физики из Массачусетского технологического института впервые получили конденсат Бозе-Эйнштейна с фрактальным спектром энергии. Кроме того, оптические ловушки используются для захвата атомов-кубитов в некоторых видах уже работающих квантовых компьютеров.

Автор: Владимир Королёв