Erste direkte Beobachtung des Fermionverhaltens, das für die Supraleitung verantwortlich ist

Fermionen bilden Paare? Es kommt nur darauf an, die richtigen Bedingungen zu schaffen.

Wissenschaftler klassifizieren alle Elementarteilchen in zwei Kategorien mit sehr unterschiedlichem Verhalten, abhängig vom Wert ihres Spins, der das Quantenanalogon der klassischen Rotation darstellt. Wenn diese in bestimmten Einheiten gemessene Größe eine ganze Zahl ist, wird das Teilchen als Boson bezeichnet, und wenn es eine halbe ganze Zahl ist, als Fermion.

Zu den Fermionen gehören alle Elementarteilchen, aus denen gewöhnliche Materie besteht, etwa das Elektron, das Proton und das Neutron, während zu den Bosonen das Photon, Teilchen, die schwache, starke und gravitative Wechselwirkungen vermitteln, sowie das Higgs-Boson gehören, das allen Elementarteilchen Masse verleiht.

Die Physik von Fermionen ist so, dass normalerweise zwei identische Teilchen dieses Typs (z. B. zwei Elektronen) lieber voneinander fernbleiben, aber in manchen Situationen, etwa bei extrem niedrigen Temperaturen oder ultrahohen Dichten, neigen sie stattdessen dazu, gebundene Paare zu bilden .

Die Bildung von Fermionenpaaren spielt in der Kern- und Neutronensternphysik sowie in der Supraleitung eine entscheidende Rolle. Letzteres Phänomen tritt auf, weil gepaarte Elektronen, sogenannte Cooper-Paare, sich ohne Widerstand durch ein supraleitendes Material bewegen können, im Gegensatz zu einzelnen Elektronen, die miteinander und mit dem Kristallgitter kollidieren können und dabei ihre Energie verlieren, die in Wärme umgewandelt wird. All dies macht es sehr wichtig, alle Details dieses Prozesses zu kennen, aber die extremen Bedingungen, unter denen diese Paarbildung stattfindet, machen es sehr schwierig, sie zu untersuchen.

Um dieses Phänomen besser zu verstehen, führte ein Team amerikanischer Physiker vom MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms and Research Laboratory of Electronics am MIT ein Experiment durch, bei dem sie die Bildung von Fermionenpaaren direkt beobachten konnten.

Derzeit ist es unmöglich, die Bildung von Elektronenpaaren zu untersuchen, da diese Teilchen zu leicht und schnell sind, um die Bildung ihrer gebundenen Zustände zu beobachten. Daher untersuchten die Wissenschaftler das Verhalten viel schwererer Fermionen, nämlich Kaliumatome, was natürlich der Fall ist Sie sind keine Elementarteilchen, aber sie haben einen halbzahligen Spin, wodurch ihr Verhalten in vielerlei Hinsicht dem von Elektronen ähnelt.

Das Team untersuchte ein verdünntes Gas aus etwa 1.000 solcher Atome, das auf Nanokelvin abgekühlt war, was dazu führte, dass sie sich sehr langsam bewegten. Um die Atome zusammenzuhalten, verwendeten die Forscher eine optische Falle, ein Gitter aus Laserstrahlen, das sie daran hinderte, sich frei zu bewegen, aber nicht verhinderte, dass Atome von einer Gitterzelle, die durch sich kreuzende senkrechte Laserstrahlen gebildet wurde, zu einer anderen springen Die Quantenmechanik ermöglicht es ihnen.

Um zu verstehen, ob die Atome ein Fermionenpaar bildeten, untersuchte das Team die Reaktion des Gases auf ein angelegtes Magnetfeld, da bekannt ist, dass Fermionenpaare auf dieses Feld viel schwächer reagieren als freie Elektronen.

Nach mehreren solchen Messungen stellten die Wissenschaftler fest, dass viele Gasatome innerhalb der Zellen des Gitters tatsächlich gebundene Paare bildeten.

„Fermionenpaarung ist die Grundlage der Supraleitung und vieler Phänomene in der Kernphysik“, erklärte Martin Zwierlein, Thomas A. Frank-Professor für Physik am MIT und einer der Autoren der Studie. „Aber niemand hatte diese Paarung vor Ort gesehen. Es war einfach atemberaubend, diese Bilder dann endlich originalgetreu auf dem Bildschirm zu sehen.“

Da das Experiment eine sehr hohe Genauigkeit der Messungen und eine große Anzahl davon erforderte; Um ein endgültiges Bild der Paarbildung zu erhalten, mussten die Autoren mit ihrer Messtechnik Tausende von Schnappschüssen der Atomwolke machen. „Es war verdammt schwierig, an einen Punkt zu gelangen, an dem wir diese Bilder tatsächlich aufnehmen konnten“, sagt Zwierlein. „Sie können sich zunächst vorstellen, dass Ihre Bilder große, dicke Löcher haben, Ihre Atome weglaufen, nichts funktioniert. Im Laufe der Jahre mussten wir im Labor furchtbar komplizierte Probleme lösen, und die Studenten hatten eine große Ausdauer, und schließlich war es absolut begeisternd, diese Bilder sehen zu können.“

Das von den Physikern erzielte Ergebnis bestätigte die Gültigkeit des Hubbard-Modells, mit dem das Verhalten von Fermionenpaaren theoretisch beschrieben wird. Eine weitere Entdeckung, die ebenfalls mit der Vorhersage dieses Modells übereinstimmte, war die Beobachtung der Bildung von Atompaaren, die sich in ausreichend großem Abstand voneinander befanden, also nicht in derselben Zelle.

Sie beobachteten auch ein weiteres vorhergesagtes, aber nie beobachtetes Phänomen: Fermionenpaare neigten dazu, sich nicht in benachbarten Zellen, sondern diagonal niederzulassen und ein Schachbrettmuster zu bilden.

Obwohl die Physiker mit Kaliumatomen bei Nanokelvin-Temperaturen und nicht mit Elektronen gearbeitet haben, glauben sie, dass das von ihnen beobachtete Bild der Fermionpaarbildung und die Bestätigung des Hubbard-Modells ein besseres Verständnis der Supraleitung ermöglichen und diese sogar bei Raumtemperatur erreichen werden Zukunft.

„Wenn man unser Atomgas auf die Elektronendichte in einem Metall normiert, gehen wir davon aus, dass dieses Paarungsverhalten weit über Raumtemperatur auftreten sollte“, schloss Zwierlein. „Das gibt viel Hoffnung und Zuversicht, dass solche Paarungsphänomene prinzipiell bei erhöhten Temperaturen auftreten können, und es gibt keine a priori Grenze dafür, warum es nicht eines Tages einen Raumtemperatur-Supraleiter geben sollte.“

Referenz: T. Hartke, B. Oreg, C. Turnbaugh, N. Jia und M. Zwierlein, „Direkte Beobachtung der nichtlokalen Fermionpaarung in einem attraktiven Fermi-Hubbard-GasScience (2023), DOI: 10.1126/science.ade4245.

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