发现超冷原子有趣的磁行为

通过冷却到绝对零度以上的十亿分之几的原子，普林斯顿大学的研究人员领导的团队发现了一个有趣的磁性行为，这可以帮助解释高温超导性如何工作。

研究人员发现，对这些超冷原子施加强磁场会让它们以交替的方式排列并相互偏离。这种被研究人员称作“倾斜反铁磁性”的行为与通过模型的预测相一致。该模型用了数十年，用来理解特定材料如何产生超导效应。研究结果发表在《科学》杂志上。

 “之前没有人在这个系统中观察到这种类型的行为”，普林斯顿大学物理学助理教授Waseem Bakr说，“我们用激光制造人造水晶，然后探索微观细节发生了什么。这种研究在日常材料中做不到。”

在普林斯顿贾德温厅的桌面上进行的实验使得描述量子行为如何产生超导性的模型可被探索。超导状态是电流可以无阻力地流动，并且被用于电力传输和制造强大的电磁铁。虽然了解了传统超导体的基础，研究人员仍在一种称作铜氧化物铜基材料中探索高温超导理论。

由于铜酸盐的复杂性，研究人员很难直接研究它们去寻找什么特性导致它们具有无电阻性能。作为替代，通过使用激光和超冷原子构建合成晶体，研究人员可以提出原本无法提出的问题。

伯克尔和他的团队将锂原子冷却到绝对零度以上的百亿分之几，到达原子遵循量子物理学规律的温度。研究人员使用激光器创建一个网格，以将超冷原子固定。这种称为光栅的网格可以被想成是完全由激光产生的虚拟蛋托盘，其中原子可以从一个阱跳到下一个。

该团队使用该装置来观察单个原子之间的相互作用。这种作用以类似于微小磁体的方式表现，由称为自旋的量子性质产生。每个原子的自旋可以向上或向下。如果两个原子落在同一地点，他们就会因强烈的排斥作用而铺开，每个阱中只有一个原子。蛋托盘的相邻阱中的原子倾向于自旋相反。

由于冷系统的量子性质，这种称为反铁磁性的效应在非常低的温度下发生。当两种类型的自旋群体大致相等时，只要相邻旋转保持反对平行，自旋可以转到任何方向。

当研究人员对原子应用强磁场时，他们看到让他们好奇的东西。普林斯顿大学的研究人员利用可以对晶格点上的各个原子进行成像的高分辨率显微镜，研究了原子与磁场强度的磁相关性的变化。在强场的存在下，相邻的自旋保持反向，但是转到了一个与磁场呈直角的平面。仔细观察，研究人员看到，相反排列的原子在场的方向上稍微倾斜，使得磁体仍然反向面对，但在平面中对齐得不精确了。

去年在哈佛大学，马萨诸塞理工学院和慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的实验中观察到旋转相关性。但普林斯顿大学的研究首先对原子应用强场并观察斜角反铁磁体。

观察结果是由费米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型预测的。该模型用于解释在比较高的温度下，铜酸盐如何超导。费米-哈伯德（Fermi-Hubbard）模型由普林斯顿大学物理学教授约瑟夫·亨利（Joseph Henry）荣誉物理学教授菲利普·安德森（Philip Anderson）改进。他于1977年因磁无序系统的电子结构的理论研究工作获得诺贝尔物理学奖。

“更好地了解费米-哈伯德模型可以帮助研究人员设计类似具有超导性能的材料。” Bakr说。
研究还研究了去除蛋托中的一些原子会发生什么，在网格中引入空洞。研究人员发现，当施加磁场时，反映和在铜氧化物上所做的测量相一致。“这更证实提出的费米 - 哈伯德模型可能是解释我们在材料中所见的现象的正确模型。”巴克尔说。

普林斯顿小组包括研究生Peter Brown，他进行了许多实验，是该论文的第一作者。实验的额外贡献来自物理学研究生Debayan Mitra和Elmer Guardado-Sanchez，物理学副研究学者Peter Schauss和现在在哥伦比亚大学的前博士后研究员Stanimir Kondov。

这项研究贡献了对圣约瑟茅斯州立大学的埃桑·哈特米，里约热内卢联邦大学的艾萨·帕瓦，俄亥俄州立大学的南迪尼·特里维迪以及普林斯顿的Cyrus Fogg Brackett物理教授的理论的理解。

每个绿点表示单独的锂原子。 研究人员使用量子气体显微镜来对原子进行成像，这些原子已经被冷却到高于绝对零度的几分之一并被激光固定。
来源：图片由普林斯顿大学彼得·布朗提供