นักฟิสิกส์ได้ปรับใช้คอนเดนเสทของ Bose–Einstein (BEC) เป็น “กล้องจุลทรรศน์ควอนตัม” เพื่อศึกษาการเปลี่ยนเฟสในตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง การทดลองนี้นับเป็นครั้งแรกที่ BEC ถูกนำมาใช้เพื่อสำรวจปรากฏการณ์สสารควบแน่นที่ซับซ้อนเช่นนี้ และผลลัพธ์ – การแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงในตัวนำยิ่งยวดเหล็ก pnictide – แนะนำว่าเทคนิคนี้สามารถช่วยให้แก้ปัจจัยที่ซับซ้อนที่เสริม และยับยั้งความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
BEC คือสถานะของสสารที่ก่อตัวขึ้นเมื่อก๊าซของโบซอน
(อนุภาคที่มีการหมุนควอนตัมเป็นจำนวนเต็ม) ถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำจนทำให้โบซอนทั้งหมดตกอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ โบซอนมีความไวสูงต่อความผันผวนเล็กน้อยในสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น ซึ่งรบกวนการทำงานของคลื่นรวมของพวกมัน และสร้างเป็นหย่อมๆ ที่มีความหนาแน่นมากขึ้นและน้อยลงในก๊าซ จากนั้นจะสามารถตรวจจับความแปรผันของความหนาแน่นได้โดยใช้เทคนิคทางแสง
เครื่องมือใหม่นี้เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อะตอมควอนตัมไครโอเจนิกแบบสแกน (SQCRAMscope) ทำให้ความไวของสนามแม่เหล็กนี้ใช้งานได้จริง “โดยพื้นฐานแล้ว SQCRAMscope ของเรานั้นเหมือนกับกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งเป็นเลนส์ขนาดใหญ่ โดยเน้นที่แสงลงบนตัวอย่าง มองที่แสงสะท้อน – ยกเว้นตรงจุดโฟกัสที่เรามีกลุ่มอะตอมควอนตัมที่แปลงสนามแม่เหล็กให้เป็นสนามแสง” อธิบาย หัวหน้าทีมBenjamin Levนักฟิสิกส์จาก Stanford University ในสหรัฐอเมริกา “มันเป็นตัวแปลงสัญญาณก๊าซควอนตัม”
การสอบสวนเชิงปฏิบัติSQCRAMscope เติบโตจากงานก่อนหน้าของ Lev ในชิปอะตอม ในอุปกรณ์เหล่านี้ เมฆของอะตอมที่เย็นจัดจะถูกกักขังไว้ในห้องสุญญากาศเพื่อแยกพวกมันออกจากสภาพแวดล้อมและลอยขึ้นสู่อากาศด้วยสนามแม่เหล็กที่เกิดจากวงจรขนาดเล็กหรือชิป
การประยุกต์ใช้ชิปอะตอมที่เป็นไปได้อย่างหนึ่ง
คือการใช้เมฆอะตอมที่แขวนลอยเหล่านี้เป็นเครื่องมือตรวจสอบสนามแม่เหล็กที่มีความละเอียดสูงและมีความละเอียดสูง แต่มีปัญหาคือ เมื่อใดก็ตามที่นักวิจัยต้องการเปลี่ยนโครงร่างของชิปของพวกเขา หรือนำตัวอย่างวัสดุใหม่มาใกล้อะตอม พวกเขาจำเป็นต้องทำลายสุญญากาศ นำส่วนประกอบทางแสงต่างๆ ออก นำชิปออก แล้วใส่ทุกอย่างกลับคืน . “ต้องใช้เวลาหลายเดือนในการเปลี่ยนแปลงทุกอย่าง” เลฟกล่าว “มันไม่ค่อยดีสำหรับการทดสอบอย่างรวดเร็ว”
ความซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือกระแสไฟฟ้าไหลผ่านชิปอะตอมทำให้ชิปร้อนขึ้น ซึ่งส่งผลต่ออุณหภูมิของตัวอย่างใกล้เคียงในลักษณะที่ยากต่อการคาดการณ์หรือควบคุม Lev ตั้งข้อสังเกตว่า “ไม่เหมาะอย่างยิ่งหากคุณต้องการศึกษาการเปลี่ยนเฟส” และปรากฏการณ์อื่นๆ ที่ขึ้นกับอุณหภูมิ
วิธีแก้ปัญหาของทีมสแตนฟอร์ดคือการแยกชิปอะตอมออกจากตัวอย่างที่ต้องการศึกษา ในขณะที่อะตอมรูบิเดียมเย็นจัดใน SQCRAMscope ยังคงอยู่ในห้องสุญญากาศ ชิปที่ใช้ดักจับด้วยแม่เหล็กนั้นตั้งอยู่ด้านนอก โดยมีช่องว่างไม่กี่ร้อยไมโครเมตรเพื่อให้ตัวอย่างเลื่อนเข้ามา “เป็นประเภท Rube Goldberg ที่บ้ามาก ของอุปกรณ์ แต่ใช้งานได้” เลฟกล่าว
ปริศนาพีนิไทด์หลังจากทดสอบ SQCRAMscope
กับตัวอย่างลวดทองแล้ว นักวิจัยได้หันมาใช้วัสดุที่ซับซ้อนมากขึ้น นั่นคือ ตัวนำยิ่งยวดเหล็ก pnictide ที่มีสูตรทางเคมี Ba(Fe 1 −x Co x ) 2 As 2 ที่อุณหภูมิห้อง วัสดุนี้เป็นโลหะที่มีโครงสร้างผลึกแบบสี่เหลี่ยมจตุรัส แต่เมื่อเย็นตัวลง วัสดุนี้จะผ่านการเปลี่ยนแปลงไปสู่เฟสนีมาติกที่อุณหภูมิที่ขึ้นอยู่กับเศษส่วนของยาสลบxณ จุดนี้ ความสมมาตรของผลึกของวัสดุแตกออกบางส่วน และแสดงให้เห็นรูปแบบการเย็บปะติดปะต่อกันของโดเมนแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่แน่นอนของการเปลี่ยนแปลงแบบนีมาติกเป็นเรื่องของการถกเถียงกัน เนื่องจากการวัดที่มีความอ่อนไหวต่อคุณสมบัติจำนวนมากของวัสดุให้คำตอบหนึ่ง ในขณะที่วิธีการที่เน้นคุณสมบัติพื้นผิวของมันแนะนำอีกวิธีหนึ่ง
กราฟของโดเมนการหักเหของแสงและสนามแม่เหล็กของตัวอย่างแสดงลำดับที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนภาพและความผิดปกติที่อยู่เหนือระดับนั้น ป้อน SQCRAMscope “รูปแบบเชิงพื้นที่เหล่านี้ [ในโดเมนแม่เหล็ก] พัฒนาขึ้นในระดับไม่กี่ไมครอน และตรงกับความละเอียดเชิงพื้นที่ของ SQCRAMscope” Lev กล่าว ด้วยความช่วยเหลือจากผู้ทำงานร่วมกันในห้องปฏิบัติการ Geballe Laboratory for Advanced Materials ของสแตนฟอร์ด เขาและทีมของเขาได้เตรียมตัวอย่างเหล็ก pnictide เชื่อมต่อกับสายไฟสีทอง และใช้ SQCRAMscope เพื่อสร้างภาพความผันผวนของสนามแม่เหล็กขณะที่กระแสไหลผ่าน ทีมงานสามารถศึกษาคุณสมบัติแม่เหล็กที่มีมวลและพื้นผิวของตัวอย่างพร้อมๆ กัน และแก้ไขข้อโต้แย้งที่เกิดจากการวัดที่ขัดแย้งกันก่อนหน้านี้ด้วยการรวมการวัดค่าสนามแม่เหล็กเหล่านี้กับการวัดค่าการหักเหของแสงสองทิศทางแบบแยกจากกันของตัวอย่าง
สิ่งที่พวกเขาพบคือ การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของวัสดุเป็นเฟสนีมาติกและการเปลี่ยนอิเล็กตรอนของวัสดุนั้น ตรงกันข้ามกับคำใบ้ของความคลาดเคลื่อนในการศึกษาก่อนหน้านี้: ประมาณ 135 K สำหรับตัวอย่างที่ไม่ได้แยก และ 96.5 K สำหรับตัวอย่างที่มี 2.5 % ยาสลบ (ดูรูป) “ผู้คนต่างตื่นเต้นกับโพรบหลายรูปแบบ ซึ่งคุณสามารถวัดค่าได้สองแบบพร้อมกันโดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงตัวอย่างหรือสารตั้งต้น” Lev กล่าว “เรามีตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบสำหรับเรื่องนี้ และเป็นเพราะอะตอมมีความโปร่งใสต่อความยาวคลื่นทั้งหมด ยกเว้นที่สะท้อนกับรูบิเดียม”
ขอบเขตสำหรับการปรับปรุงตอนนี้ SCQRAMscope ได้พิสูจน์คุณค่าของมันในฐานะเครื่องมือในการศึกษาเนื้อหาที่มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก Lev กล่าวว่าเขาและเพื่อนร่วมงานของเขามี “รายการโครงการสนุกๆ มากมายที่ต้องทำ” การทดลองติดตามผลที่เป็นไปได้รวมถึงการใช้ SCQRAMscope เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติอื่นๆ ของ pnictides (รวมถึงการขนส่งอิเล็กตรอนที่มีตัวนำยิ่งยวด) และศึกษาการขนส่งอิเล็กตรอนในวัสดุ 2 มิติ เช่น กราฟีน ทีมงานยังปรับปรุงความสามารถทางเทคนิคของเครื่องมือโดยลดการใช้ไครโอเจน ขยายช่วงอุณหภูมิในการทำงาน และออกแบบแท่นยึดใหม่เพื่อให้การแลกเปลี่ยนตัวอย่างง่ายขึ้น
Credit : balihai2007.com batterypoweredsystem.com blackrockemporium.com blaemuircottage.com bluemountainheart.net
