Используя сверхтекучую атомную схему, физики JQI во главе с Гретхен Кэмпбелл продемонстрировали инструмент, который имеет решающее значение для электроники: гистерезис. Это первый случай, когда гистерезис наблюдается в ультрахолодном атомарном газе.
Это исследование опубликовано в выпуске журнала Nature от 13 февраля, на обложке которого представлено художественное представление об атомной системе.Ведущий автор Стивен Экель объясняет: «Гистерезис повсеместно используется в электронике.
Например, этот эффект используется при записи информации на жесткие диски, а также на другие устройства памяти. Он также используется в некоторых типах датчиков и в шумовых фильтрах, таких как триггер Шмитта. . " Вот пример, демонстрирующий, как этот общий триггер используется для обеспечения гистерезиса. Рассмотрим термостат кондиционера, в котором есть переключатель для регулирования вентилятора. Пользователь устанавливает желаемую температуру.
Когда температура воздуха в помещении превышает эту температуру, включается вентилятор для охлаждения помещения. Когда вентилятор узнает, что нужно выключиться? Перед выключением вентилятор фактически снижает температуру до другого заданного значения. Это несоответствие между заданными значениями температуры включения и выключения является примером гистерезиса и предотвращает быстрое переключение вентилятора, что было бы крайне неэффективно.
В приведенном выше примере гистерезис запрограммирован в электронной схеме. В этом исследовании физики наблюдали гистерезис, который является естественным свойством квантовой жидкости. 400000 атомов натрия охлаждаются до конденсации, образуя тип квантовой материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК), который имеет температуру около 0,000000100 Кельвина (0 Кельвин — это абсолютный ноль).
Атомы находятся в ловушке в форме пончика, которая лишь ненамного больше человеческого эритроцита. Сфокусированный лазерный луч пересекает кольцевую ловушку и используется для перемешивания квантовой жидкости вокруг кольца.
Хотя БЭК состоят из разреженного газа атомов, менее плотных, чем воздух, они обладают необычными коллективными свойствами, что делает их больше похожими на жидкость — или, в данном случае, на сверхтекучую среду. Что это значит? Впервые обнаруженная в жидком гелии в 1937 году, эта форма вещества при определенных условиях может непрерывно течь, не сдерживаясь трением. Следствием такого поведения является то, что поток жидкости или скорость вращения вокруг кольцевой ловушки команды квантуются, что означает, что она может вращаться только с определенными определенными скоростями.
Это отличается от неквантовой (классической) системы, где ее вращение может непрерывно изменяться, а вязкость жидкости играет существенную роль.Из-за характерного отсутствия вязкости для сверхтекучей жидкости перемешивание этой системы приводит к совершенно иному поведению. Здесь физики перемешивают квантовую жидкость, но жидкость не ускоряется постоянно. При критической скорости перемешивания жидкость перескакивает из состояния без вращения на вращение с фиксированной скоростью.
Стабильные скорости кратны величине, которая определяется размером ловушки и атомной массой.Эта же лаборатория ранее демонстрировала постоянные токи и это квантованное поведение скорости в сверхтекучих атомных газах. Теперь они исследовали, что происходит, когда они пытаются остановить вращение или вернуть систему в исходное состояние скорости.
Без гистерезиса они могли бы достичь этого за счет снижения скорости перемешивания ниже критического значения, что привело бы к прекращению вращения. Фактически, они наблюдают, что скорость перемешивания должна быть намного ниже критической, а в некоторых случаях изменить направление перемешивания, чтобы увидеть, как жидкость возвращается в состояние с более низкой квантовой скоростью.
Управление этим гистерезисом открывает новые возможности для создания практичного атомного электронного устройства. Например, существуют специализированные сверхпроводящие электронные схемы, которые точно контролируются магнитными полями, и, в свою очередь, небольшие магнитные поля влияют на поведение самой схемы.
Таким образом, эти устройства, называемые SQuID (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства), используются в качестве датчиков магнитного поля. «Наша текущая схема аналогична определенному виду SQuID, называемому RF-SQuID», — говорит Кэмпбелл. «В нашей атомной версии SQuID сфокусированный лазерный луч вызывает вращение, когда скорость« ложки »лазерного луча достигает критического значения. Мы можем контролировать, где происходит этот переход, изменяя свойства« ложки ». Таким образом, Схема атомной электроники могла быть использована как инерционный датчик ».Эта квантовая система с двумя скоростями имеет ингредиенты для создания кубита. Тем не менее, эта идея должна преодолеть ряд серьезных препятствий, прежде чем она станет жизнеспособным выбором.
Атомтроника — молодая технология, и физики все еще пытаются понять эти системы и их потенциал. В настоящее время команда Кэмпбелла уделяет особое внимание изучению свойств и возможностей нового устройства путем добавления таких сложностей, как второе кольцо.
Это исследование было поддержано NSF Physics Frontier Center в JQI.