Para peneliti mengamati fase dinamis interaksi superkonduktor BCS dalam QED Cavity dengan mengukur kebocoran cahaya dari rongga. Kredit: Grup Steven Burrows/Rey dan Thompson
Para peneliti di JILA mensimulasikan superkonduktivitas atom strontium dalam rongga optik untuk mengamati fase dinamis yang langka, termasuk Fase III yang sulit dipahami, yang memiliki implikasi terhadap fisika kuantum dan pengembangan teknologi.
Dalam bidang fisika, para ilmuwan terpesona oleh perilaku misterius superkonduktor—bahan yang dapat menghantarkan listrik dengan hambatan nol ketika didinginkan hingga suhu yang sangat rendah. Dalam sistem superkonduktor ini, elektron bergabung dalam “pasangan Cooper” karena mereka tertarik satu sama lain akibat getaran pada material yang disebut fonon.
Sebagai fase termodinamika materi, superkonduktor biasanya berada dalam keadaan setimbang. Namun baru-baru ini, para peneliti di JILA tertarik untuk memasukkan material ini ke kondisi tereksitasi dan mengeksplorasi dinamika yang terjadi selanjutnya. Seperti yang diberitakan di baru Alam makalah, tim teori dan eksperimen JILA dan NIST Fellows Ana Maria Rey dan James K. Thompson, bekerja sama dengan Prof. Robert Lewis-Swan di Universitas Oklahoma, mensimulasikan superkonduktivitas dalam kondisi tereksitasi menggunakan atom-sistem rongga.
Alih-alih berurusan dengan bahan superkonduktor yang sebenarnya, para ilmuwan memanfaatkan perilaku atom strontium, yang didinginkan dengan laser hingga 10 sepersejuta derajat di atas. nol mutlak dan melayang di dalam rongga optik yang terbuat dari cermin. Dalam simulator ini, ada tidaknya pasangan Cooper dikodekan dalam sistem dua tingkat atau qubit. Dalam pengaturan unik ini, foto-Interaksi yang dimediasi antara elektron diwujudkan antara atom-atom di dalam rongga.
Berkat simulasi mereka, para peneliti mengamati tiga fase berbeda dari dinamika superkonduktor, termasuk “Fase III” langka yang menampilkan perilaku osilasi persisten yang diprediksi oleh ahli teori fisika benda terkondensasi tetapi belum pernah diamati sebelumnya.
Temuan ini dapat membuka jalan bagi pemahaman lebih dalam tentang superkonduktivitas dan kemampuan pengendaliannya, serta menawarkan jalan baru untuk merekayasa superkonduktor unik. Selain itu, teknologi ini menjanjikan peningkatan waktu koherensi untuk aplikasi penginderaan kuantum, seperti peningkatan sensitivitas jam optik.
Mengidentifikasi Fase Superkonduktor
Tim JILA fokus pada simulasi model Barden-Cooper-Schrieffer, yang menggambarkan perilaku pasangan Cooper. Dylan Young, salah satu penulis pertama dan mahasiswa pascasarjana JILA, menjelaskan: “Model BCS telah ada sejak tahun 1950-an dan merupakan inti dari pemahaman kita tentang cara kerja superkonduktor. Ketika para ahli teori materi terkondensasi mulai mempelajari dinamika superkonduktor yang tidak seimbang, mereka secara alami memulai dengan model ini.”
Dalam beberapa dekade terakhir, para ahli teori materi terkondensasi telah memperkirakan tiga fase dinamis berbeda yang akan dialami superkonduktor ketika ia berevolusi. Pada Fase I, kekuatan superkonduktivitas meluruh dengan cepat hingga nol. Sebaliknya, Fase II mewakili keadaan stabil dimana superkonduktivitas dipertahankan.
Namun, Fase III yang sebelumnya tidak teramati adalah yang paling menarik. “Ide fase III adalah kekuatan superkonduktivitas memiliki osilasi yang terus-menerus tanpa redaman,” jelas mahasiswa pascasarjana JILA dan rekan penulis pertama Anjun Chu. “Dalam rezim fase III, alih-alih menekan osilasi, interaksi banyak benda dapat mengarah pada dorongan periodik yang dihasilkan sendiri ke sistem dan menstabilkan osilasi. Mengamati perilaku eksotik ini memerlukan kontrol yang tepat terhadap kondisi eksperimental.”
Untuk mengamati fase yang sulit dipahami ini, tim memanfaatkan kolaborasi teori dari kelompok Rey dan eksperimen dari kelompok Thompson untuk menciptakan pengaturan eksperimen yang terkontrol secara tepat, dengan harapan dapat menyempurnakan parameter eksperimen untuk mencapai Fase III.
Membuat Simulasi yang Tepat dalam Pengaturan Rongga
Meskipun para peneliti sebelumnya mencoba mengamati Fase III dalam sistem superkonduktor nyata, pengukuran fase ini masih sulit dilakukan karena kesulitan teknis. “Mereka tidak memiliki ‘kenop’ atau mekanisme pembacaan yang tepat,” jelas Young. “Di sisi lain, penerapan kami dalam sistem rongga atom memberi kami akses ke kontrol yang dapat disesuaikan dan observasi yang berguna untuk mengkarakterisasi dinamika.”
Berdasarkan penelitian sebelumnya, para peneliti menjebak awan atom strontium di dalam rongga optik. Dalam “simulator kuantum” ini, atom-atom meniru pasangan Cooper dan mengalami interaksi kolektif yang sejajar dengan gaya tarik-menarik yang dialami oleh elektron dalam superkonduktor BCS. “Kami menganggap setiap atom mewakili pasangan Cooper,” jelas Young. “Sebuah atom dalam keadaan tereksitasi mensimulasikan keberadaan pasangan Cooper, dan keadaan dasar mewakili ketiadaan pasangan Cooper. Pemetaan ini sangat berguna karena, sebagai fisikawan atom, kita tahu cara memanipulasi atom dengan cara yang tidak dapat dilakukan dengan pasangan Cooper.”
Para peneliti menerapkan pengetahuan ini untuk menginduksi fase dinamika yang berbeda dalam simulasi mereka melalui proses yang dikenal sebagai “quenching.” Young menjelaskan: “Quenching adalah saat kita tiba-tiba mengubah atau ‘menendang’ sistem kita untuk melihat bagaimana responsnya. Dalam hal ini, kita mempersiapkan atom-atom kita dalam keadaan superposisi kolektif antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi. Kemudian, kami menyebabkan pendinginan dengan menyalakan sinar laser yang memberikan energi berbeda kepada semua atom.”
Dengan mengubah sifat pendinginan ini, para peneliti dapat melihat fase dinamis yang berbeda. Mereka bahkan merancang trik untuk mengamati Fase III yang sulit dipahami, yang melibatkan pembelahan awan atom menjadi dua. “Menggunakan dua awan atom dengan kontrol terpisah atas pergeseran energi adalah ide utama untuk mencapai Fase III,” kata Chu.
Dalam superkonduktor, tingkat energi elektron dapat dibagi menjadi dua sektor, sebagian besar terisi atau hampir tidak terisi, dipisahkan oleh tingkat Fermi. “Pengaturan kami dalam sistem putaran tidak memiliki tingkat Fermi secara intrinsik, jadi kami memperhitungkannya menggunakan dua awan atom: satu awan mensimulasikan keadaan di bawah tingkat Fermi, sementara awan lain mensimulasikan keadaan (kuantum) lainnya,” tambah Chu.
Untuk mengukur dinamika superkonduktor di dalam rongga, para peneliti melacak kebocoran cahaya dari rongga optik secara real time. Data mereka menemukan titik berbeda di mana superkonduktor yang disimulasikan bertransisi antar fase, akhirnya mencapai Fase III.
Melihat pengukuran pertama Fase III mengejutkan banyak anggota tim. Seperti yang dinyatakan Thompson: “Melihat goyangannya sungguh sangat memuaskan.” Dalam kolaborasinya, Rey juga sangat bersemangat melihat teori dan eksperimen selaras. “Dari sisi teori, superfluida/superkonduktor BCS, pada prinsipnya, dapat diamati dalam gas fermionik yang mengalami degenerasi, seperti yang diajarkan Debbie Jin di JILA kepada kita cara membuatnya. Namun, sulit untuk mengamati fase dinamis dalam sistem ini. Kami memperkirakan pada tahun 2021 bahwa semua fase dinamis BCS dapat terwujud dalam eksperimen rongga atom. Senang sekali melihat prediksi teori kami menjadi kenyataan dan benar-benar mengamati fase dinamis dalam eksperimen nyata!”
Fisika yang Mendasari dengan Penerapan yang Lebih Luas
Meskipun pengamatan Fase III dalam sistem mereka merupakan pencapaian yang signifikan, tim juga menemukan bahwa perilaku yang diukur dapat memiliki implikasi yang lebih luas di luar superkonduktivitas. Seperti yang dijelaskan Thompson, “Dalam kaitannya dengan model dasar yang Anda gunakan untuk mendeskripsikannya, ternyata model BCS ini memiliki semua hubungan dengan berbagai jenis fisika pada skala energi, skala suhu, dan rentang waktu yang berbeda, dari superkonduktor hingga bintang neutron. ke sensor kuantum!”
Rey menambahkan: “Pengamatan ini benar-benar membuka jalan untuk mensimulasikan superkonduktor tidak konvensional dengan sifat topologi yang menarik untuk mewujudkan komputer kuantum yang kuat. Sungguh luar biasa untuk meniru model mainan dari sistem kompleks ini dalam simulator kuantum rongga atom kami.”
Untuk informasi lebih lanjut tentang penelitian ini, lihat Strontium Membuka Rahasia Superkonduktivitas Kuantum.
Referensi: “Mengamati fase dinamis superkonduktor BCS dalam simulator QED rongga” oleh Dylan J. Young, Anjun Chu, Eric Yilun Song, Diego Barberena, David Wellnitz, Zhijing Niu, Vera M. Schäfer, Robert J. Lewis-Swan, Ana Maria Rey dan James K. Thompson, 24 Januari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06911-x
Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Quantum Systems Accelerator, bagian dari Departemen Energi AS, Kantor Sains, Pusat Penelitian Sains Informasi Quantum Nasional.
