Fizicienii de la Princeton dezvăluie secretele magnetismului cinetic

Cercetătorii de la Universitatea Princeton au făcut un progres major în înțelegerea magnetismului cinetic utilizând atomi ultrareci într-o rețea fabricată cu laser pentru a vizualiza un nou tip de polaron, dezvăluind modul în care mișcarea impurităților din matricea atomică provoacă magnetism puternic la temperaturi ridicate. Credit: SciTechDaily.com

Fizicienii din Universitatea Princeton Ei au fotografiat direct obiectul microscopic responsabil pentru acest magnetism, un tip neobișnuit de polaron.

Nu toți magneții sunt la fel. Când ne gândim la magnetism, de obicei ne gândim la magneți care se lipesc de ușa frigiderului. Pentru aceste tipuri de magneți, interacțiunile electronice care dau naștere magnetismului au fost înțelese de aproximativ un secol, încă de la începuturile mecanicii cuantice. Dar există multe forme diferite de magnetism în natură, iar oamenii de știință încă descoperă mecanismele care le conduc.

Acum, fizicienii de la Universitatea Princeton au făcut progrese semnificative în înțelegerea unei forme de magnetism cunoscută sub numele de magnetism cinetic, folosind atomi ultrareci legați de o rețea artificială realizată cu un laser. Experiențele lor sunt descrise într-o lucrare de cercetare publicată în această săptămână în jurnal naturăLe-a permis cercetătorilor să imagineze direct obiectul microscopic responsabil pentru acest magnetism, un tip neobișnuit de polaron, sau cvasiparticulă, care apare într-un sistem cuantic care interacționează.

Înțelegerea magnetismului cinetic

„Este foarte interesant”, a spus Waseem Bakr, profesor de fizică la Universitatea Princeton și autor principal al studiului. „Originile magnetismului au de-a face cu mișcarea impurităților în matricea atomică, de unde și numele Cinetica Magnetism. Această mișcare este extrem de neobișnuită și are ca rezultat un magnetism puternic chiar și la temperaturi foarte ridicate. Combinat cu posibilitatea de reglare a magnetismului cu dopaj – adăugarea sau îndepărtarea particulelor – magnetismul cinetic este foarte promițător pentru aplicațiile dispozitivelor în materiale reale.

Bakr și echipa sa au studiat această nouă formă de magnetism la un nivel de detaliu care nu a fost atins în cercetările anterioare. Datorită controlului oferit de sistemele atomice ultrareci, cercetătorii au putut, pentru prima dată, să vizualizeze fizica precisă care dă naștere magnetismului cinetic.

Cercetătorii de la Universitatea Princeton au imaginat direct originile microscopice ale unui nou tip de magnetism. Credit imagine: Max Pritchard, Colecția Waseem Bakr de la Universitatea Princeton

Instrumente avansate pentru descoperiri cuantice

„Avem capacitatea în laboratorul nostru de a analiza acest sistem individual porumb „Cercetătorii monitorizează nivelul unei singure locații din rețea și fac instantanee ale corelațiilor cuantice precise dintre particulele din sistem”, a spus Baker.

Timp de câțiva ani, Bakr și echipa sa de cercetare au studiat stările cuantice prin experimente cu particule subatomice ultrareci cunoscute sub numele de fermioni într-o cameră vid. Ei au creat un dispozitiv sofisticat care răcește atomii la temperaturi criogenice și îi menține în cristale artificiale cunoscute sub numele de rețele optice create folosind fascicule laser. Acest sistem a permis cercetătorilor să exploreze multe aspecte interesante ale lumii cuantice, inclusiv comportamentul emergent al grupurilor de particule care interacționează.

Fundamente teoretice și perspective experimentale

Unul dintre mecanismele timpurii propuse teoretic pentru magnetism care a pus bazele experimentelor actuale ale echipei este cunoscut sub numele de feromagnetism Nagaoka, numit după descoperitorul său Yosuke Nagaoka. Feromagneții sunt cei în care toate stările de spin a electronilor sunt îndreptate în aceeași direcție.

În timp ce un feromagnet cu spini aliniați este cel mai comun tip de magnet, în cel mai simplu cadru teoretic, electronii care interacționează puternic pe rețea tind de fapt către antiferomagnetism, spinii aliniați în direcții alternative. Această preferință de a rezista la alinierea spinurilor învecinate apare ca urmare a cuplării indirecte a spinilor de electroni învecinați, cunoscută sub numele de superschimb.

Cu toate acestea, Nagaoka a teoretizat că feromagnetismul ar putea rezulta și dintr-un mecanism complet diferit, unul determinat de mișcarea impurităților adăugate intenționat sau de dopaj. Acest lucru poate fi cel mai bine înțeles imaginând o rețea pătrată bidimensională, în care fiecare site de rețea este ocupat de un electron, cu excepția unuia. Un site neocupat (sau o gaură similară) străbate rețeaua.

Nagaoka a descoperit că, dacă gaura se mișcă într-un mediu cu rotații paralele sau feromagneți, diferitele căi ale mișcării găurii cuantice interferează mecanic unele cu altele. Acest lucru îmbunătățește propagarea în afara amplasamentului găurii cuantice și reduce energia cinetică, ceea ce este un rezultat pozitiv.

Moștenirea Nagaoka și mecanica cuantică modernă

Teoria lui Nagaoka a câștigat rapid recunoaștere, deoarece existau puține dovezi riguroase care pretindeau că explică stările fundamentale ale sistemelor de electroni care interacționează puternic. Dar monitorizarea consecințelor prin experimente a fost o provocare dificilă din cauza cerințelor stricte ale modelului. În teorie, reacțiile ar trebui să fie infinit de puternice și este permis un singur dopant. În cele cinci decenii după ce Nagaoka și-a propus teoria, alți cercetători și-au dat seama că aceste condiții nerealiste ar putea fi atenuate semnificativ în rețelele cu geometrie triunghiulară.

Experimentul cuantic și efectele sale

Pentru a efectua experimentul, cercetătorii au folosit vapori de atomi de litiu-6. Acest izotop de litiu are trei electroni, trei protoni și trei neutroni. „Numărul total impar face din acesta un izotop fermionic, ceea ce înseamnă că atomii se comportă în mod similar cu electronii dintr-un sistem solid”, a spus Benjamin Spar, un student absolvent în fizică la Universitatea Princeton și co-autor al studiului.

Când aceste gaze sunt răcite folosind lasere la temperaturi extreme de doar câteva miliarde de grad Zero absolutComportamentul lor începe să se supună mai degrabă principiilor mecanicii cuantice decât mecanicii clasice mai familiare.

Explorarea stărilor cuantice prin setările atomice reci

„Odată ce atingem acest sistem cuantic, următorul lucru pe care îl facem este să încărcăm atomii în rețeaua optică triunghiulară”, spune Spar „Într-o configurație cu atom rece, putem controla cât de repede se mișcă atomii sau cât de puternic interacționează cu fiecare. alte.”

În multe sisteme care interacționează puternic, particulele din rețea sunt organizate într-un „izolator de moarte”, o stare a materiei în care o singură particulă ocupă fiecare loc al rețelei. În acest caz, există interacțiuni feromagnetice slabe din cauza schimbului de prisos între spinurile electronilor din locurile adiacente. Dar, în loc să folosească un tampon de moarte, cercetătorii au folosit o tehnică numită „altoire”, care fie îndepărtează unele molecule, lăsând astfel „găuri” în plasă, fie adaugă molecule suplimentare.

Descoperirea unor noi forme de magnetism cuantic

„Nu începem cu o sămânță pe site în experimentul nostru”, a spus Baker. „În schimb, acoperim rețeaua cu găuri sau molecule. Și când faci asta, descoperi că există o formă mult mai puternică de magnetism care se observă în aceste sisteme la o scară de energie mai mare decât magnetismul obișnuit de supraschimb. Această scară de energie are de-a face cu atomii care sar în zăbrele”.

Profitând de distanțele mai mari dintre site-urile rețelelor din rețelele optice, în comparație cu materialele reale, cercetătorii au putut să vadă ce se întâmplă la nivelul unui singur sit folosind microscopia optică. Ei au descoperit că obiectele responsabile pentru această nouă formă de magnetism sunt un nou tip de pol magnetic.

Rolul polaronilor în sistemele cuantice

„Un polaron este o cvasiparticulă care apare într-un sistem cuantic cu multe componente care interacționează”, a spus Baker. „Se comportă foarte mult ca o particulă obișnuită, ceea ce înseamnă că are proprietăți precum sarcina, spinul și masa efectivă, dar nu este o particulă reală ca un atom. În acest caz, este un material dopant care se mișcă cu o perturbare în mediul său magnetic , sau modul în care rotiri sunt aliniate unul în jurul lor.

În materialele reale, această nouă formă de magnetism a fost observată anterior în așa-numitele materiale moiré formate din cristale 2D stivuite, iar acest lucru s-a întâmplat abia în ultimul an.

Investigați mai profund magnetismul cuantic

„Sondele de magnetism disponibile pentru aceste materiale sunt limitate Experimentele cu materiale moiré au măsurat efectele macroscopice asociate cu modul în care o bucată mare de material reacţionează atunci când se aplică un câmp magnetic”, a spus Spar aprofundați în fizică Microstructurile responsabile de magnetism. Am capturat imagini detaliate care dezvăluie corelațiile de spin în jurul dopajului mobil. De exemplu, un surround plin de găuri se înconjoară cu rotație anti-aliniere pe măsură ce se mișcă, în timp ce o particulă îmbunătățită face opusul, înconjurându-se cu un spin coerent.

Această cercetare are implicații de anvergură pentru fizica materiei condensate, chiar dincolo de înțelegerea fizicii magnetismului. De exemplu, s-a emis ipoteza că versiunile mai complexe ale acestor polaroni dau naștere unor mecanisme de cuplare de dopare a găurilor, care ar putea duce la supraconductivitate la temperaturi ridicate.

Direcții viitoare în cercetarea magnetismului cuantic

„Cea mai interesantă parte a acestei cercetări este că într-adevăr coincide cu studiile din comunitatea materiei condensate”, a spus Max Pritchard, student absolvent și coautor al lucrării. „Suntem poziționați în mod unic pentru a oferi o perspectivă în timp util a unei probleme dintr-un unghi complet diferit și toate părțile vor beneficia.”

Privind în viitor, cercetătorii vin deja cu modalități noi și inovatoare de a explora în continuare această nouă formă ciudată de magnetism – și de a investiga polaritatea spinului mai detaliat.

Următorii pași în cercetarea Polaron

„În acest prim experiment, am făcut pur și simplu instantanee ale polaronului, care este doar primul pas”, a spus Pritchard. „Dar acum suntem interesați să efectuăm o măsurare spectroscopică a polaronilor. Vrem să vedem cât timp supraviețuiesc polaronii în sistemul de interacțiune, să măsurăm energia care leagă componentele polaronilor și masa lor efectivă pe măsură ce se propagă în rețea. Există multe mai multe de făcut.”

Alți membri ai echipei sunt Zoe Yan, acum în Universitatea din Chicagoși teoreticienii Ivan Moreira, Universitatea din Barcelona, ​​​​Spania, și Eugene Demmler, Institutul de Fizică Teoretică din Zurich, Elveția. Lucrarea experimentală a fost susținută de Fundația Națională pentru Știință, Biroul de Cercetare al Armatei și Fundația David și Lucile Packard.

Referință: „Imagini directe ale polilor de spin într-un sistem Hubbard frustrat cinetic” de Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan și Wasim S. Bakr, 8 mai 2024, natură.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6