Fizycy z Princeton odkrywają tajemnice magnetyzmu kinetycznego

Fizycy z Uniwersytet Princeton Bezpośrednio sfotografowali mikroskopijny obiekt odpowiedzialny za ten magnetyzm, niezwykły rodzaj polaronu.

Nie wszystkie magnesy są takie same. Kiedy myślimy o magnetyzmie, zwykle myślimy o magnesach przyklejanych do drzwi lodówki. W przypadku tego typu magnesów interakcje elektroniczne, które powodują magnetyzm, są rozumiane od około stulecia, od początków mechaniki kwantowej. Jednak w przyrodzie istnieje wiele różnych form magnetyzmu, a naukowcy wciąż odkrywają mechanizmy, które je napędzają.

Obecnie fizycy z Uniwersytetu Princeton poczynili znaczny postęp w zrozumieniu formy magnetyzmu zwanej magnetyzmem kinetycznym, wykorzystując ultrazimne atomy połączone ze sztuczną siecią wykonaną za pomocą lasera. Ich doświadczenia opisano w artykule badawczym opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie NaturaUmożliwiło to badaczom bezpośrednie obrazowanie mikroskopijnego obiektu odpowiedzialnego za ten magnetyzm – niezwykłego typu polaronu, czyli kwazicząstki, która pojawia się w oddziałującym układzie kwantowym.

Zrozumienie magnetyzmu kinetycznego

„To bardzo ekscytujące” – powiedział Waseem Bakr, profesor fizyki na Uniwersytecie Princeton i główny autor badania. „Początki magnetyzmu mają związek z ruchem zanieczyszczeń w matrycy atomowej, stąd nazwa Kinetyka Magnetyzm. Ruch ten jest bardzo nietypowy i powoduje silny magnetyzm nawet w bardzo wysokich temperaturach. W połączeniu z możliwością dostrajania magnetyzmu poprzez domieszkowanie – dodawanie lub usuwanie cząstek – magnetyzm kinetyczny jest bardzo obiecujący w zastosowaniach urządzeń w rzeczywistych materiałach.

Bakr i jego zespół badali tę nową formę magnetyzmu z poziomem szczegółowości nieosiąganym w poprzednich badaniach. Dzięki kontroli zapewnianej przez ultrazimne układy atomowe badaczom po raz pierwszy udało się zwizualizować precyzyjną fizykę, która powoduje magnetyzm kinetyczny.

Naukowcy z Uniwersytetu Princeton bezpośrednio zobrazowali mikroskopijne pochodzenie nowego typu magnetyzmu. Zdjęcie: Max Pritchard, kolekcja Waseema Bakra na Uniwersytecie Princeton

Zaawansowane narzędzia do odkryć kwantowych

„W naszym laboratorium możemy przyjrzeć się temu systemowi indywidualnie kukurydza „Naukowcy monitorują poziom w pojedynczej lokalizacji w sieci i robią zdjęcia dokładnych korelacji kwantowych między cząsteczkami w układzie” – powiedział Baker.

Przez kilka lat Bakr i jego zespół badawczy badali stany kwantowe, eksperymentując w komorze próżniowej z ultrazimnymi cząsteczkami subatomowymi, zwanymi fermionami. Stworzyli wyrafinowane urządzenie, które chłodzi atomy do temperatur kriogenicznych i utrzymuje je w sztucznych kryształach zwanych siatkami optycznymi tworzonymi za pomocą laserów. System ten pozwolił naukowcom zbadać wiele interesujących aspektów świata kwantowego, w tym wyłaniające się zachowanie grup oddziałujących cząstek.

Podstawy teoretyczne i spostrzeżenia eksperymentalne

Jeden z wczesnych teoretycznie zaproponowanych mechanizmów magnetyzmu, który położył podwaliny pod obecne eksperymenty zespołu, jest znany jako ferromagnetyzm Nagaoka, nazwany na cześć jego odkrywcy Yosuke Nagaoki. Ferromagnetyki to takie, w których wszystkie stany spinu elektronów są skierowane w tym samym kierunku.

Chociaż ferromagnes z wyrównanymi spinami jest najpowszechniejszym typem magnesu, w najprostszym ustawieniu teoretycznym silnie oddziałujące elektrony w siatce w rzeczywistości mają tendencję do antyferromagnetyzmu, przy czym spiny są ułożone w naprzemiennych kierunkach. Ta preferencja przeciwstawiania się wyrównaniu sąsiednich spinów powstaje w wyniku pośredniego sprzężenia sąsiednich spinów elektronów, zwanego superwymianą.

Jednak Nagaoka wysunął teorię, że ferromagnetyzm może również wynikać z zupełnie innego mechanizmu, zdeterminowanego ruchem celowo dodanych zanieczyszczeń, czyli domieszkowaniem. Można to najlepiej zrozumieć wyobrażając sobie dwuwymiarową siatkę kwadratową, w której każde miejsce w sieci, z wyjątkiem jednego, jest zajęte przez elektron. Wolna witryna (lub podobna dziura) wędruje po sieci.

Nagaoka odkryła, że ​​jeśli dziura porusza się w środowisku z równoległymi spinami lub ferromagnesami, różne ścieżki ruchu dziury kwantowej zakłócają się mechanicznie. Zwiększa to propagację dziury kwantowej poza miejscem i zmniejsza energię kinetyczną, co jest wynikiem pozytywnym.

Dziedzictwo Nagaoki i współczesna mechanika kwantowa

Teoria Nagaoki szybko zyskała uznanie, ponieważ istniało niewiele rygorystycznych dowodów, które miały wyjaśniać podstawowe stany układów silnie oddziałujących elektronów. Jednak monitorowanie konsekwencji poprzez eksperymenty było trudnym wyzwaniem ze względu na surowe wymagania modelu. Teoretycznie reakcje powinny być nieskończenie silne i dozwolona jest tylko jedna domieszka. W ciągu pięćdziesięciu lat od zaproponowania przez Nagaokę swojej teorii inni badacze zdali sobie sprawę, że te nierealistyczne warunki można znacznie złagodzić w sieciach o geometrii trójkątnej.

Eksperyment kwantowy i jego efekty

Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali pary atomów litu-6. Ten izotop litu ma trzy elektrony, trzy protony i trzy neutrony. „Nieparzysta liczba całkowita sprawia, że ​​jest to izotop fermionowy, co oznacza, że ​​atomy zachowują się podobnie do elektronów w układzie ciała stałego” – powiedział Benjamin Spar, absolwent fizyki na Uniwersytecie Princeton i współautor badania.

Kiedy gazy te są schładzane za pomocą laserów do ekstremalnych temperatur wynoszących zaledwie kilka miliardowych stopnia Zero absolutneIch zachowanie zaczyna być zgodne z zasadami mechaniki kwantowej, a nie z bardziej znaną mechaniką klasyczną.

Badanie stanów kwantowych poprzez ustawienia zimnych atomów

„Kiedy już osiągniemy taki układ kwantowy, następną rzeczą, którą zrobimy, będzie załadowanie atomów do trójkątnej sieci optycznej” – mówi Spar. „W układzie zimnych atomów możemy kontrolować prędkość poruszania się atomów i siłę, z jaką oddziałują ze sobą Inny.”

W wielu silnie oddziałujących układach cząstki sieci są zorganizowane w „izolator śmierci”, czyli stan materii, w którym pojedyncza cząstka zajmuje każde miejsce siatki. W tym przypadku występują słabe oddziaływania ferromagnetyczne z powodu zbędnej wymiany pomiędzy spinami elektronów w sąsiednich miejscach. Zamiast jednak używać umierającego izolatora, badacze zastosowali technikę zwaną „szczepieniem”, która albo usuwa niektóre cząsteczki, pozostawiając w ten sposób „dziury” w siatce, albo dodaje dodatkowe cząsteczki.

Odkrywanie nowych form magnetyzmu kwantowego

„W naszym eksperymencie nie zaczynamy od jednego nasionka na witrynę” – powiedział Baker. „Zamiast tego pokrywamy siatkę dziurami lub cząsteczkami. Kiedy to robimy, okazuje się, że w tych układach istnieje znacznie silniejsza forma magnetyzmu obserwowana w wyższej skali energetycznej niż zwykły magnetyzm superwymiany. Ta skala energetyczna ma ma to związek z atomami przeskakującymi w sieci.”

Wykorzystując większe odległości między miejscami sieci w sieciach optycznych w porównaniu z rzeczywistymi materiałami, badacze byli w stanie zobaczyć, co dzieje się na poziomie pojedynczego miejsca, za pomocą mikroskopii optycznej. Odkryli, że obiektami odpowiedzialnymi za tę nową formę magnetyzmu jest nowy typ bieguna magnetycznego.

Rola polaronów w układach kwantowych

„Polaron to kwazicząstka pojawiająca się w układzie kwantowym z wieloma oddziałującymi na siebie składnikami” – powiedział Baker. „Zachowuje się bardzo podobnie do zwykłej cząstki, co oznacza, że ​​ma takie właściwości, jak ładunek, spin i masa efektywna, ale nie jest rzeczywistą cząstką jak atom. W tym przypadku jest to materiał domieszkujący, który porusza się z zakłóceniami w swoim środowisku magnetycznym lub jak spiny są ułożone wokół nich względem siebie.

W rzeczywistych materiałach tę nową formę magnetyzmu zaobserwowano wcześniej w tak zwanych materiałach mory składających się z ułożonych w stos kryształów 2D i miało to miejsce dopiero w zeszłym roku.

Zbadaj głębiej magnetyzm kwantowy

„Sondy magnetyzmu dostępne dla tych materiałów są ograniczone. Eksperymenty z materiałami mory zmierzyły efekty makroskopowe związane z reakcją dużego kawałka materiału na przyłożenie pola magnetycznego” – powiedział Spar. „Dzięki konfiguracji zimnego atomu jest to możliwe zagłębić się w fizykę Mikrostruktur odpowiedzialnych za magnetyzm. Wykonaliśmy szczegółowe zdjęcia, które ujawniają korelacje spinowe wokół dopingu mobilnego. Na przykład wypełniona dziurami otoczka otacza się spinem przeciwdziałającym wyrównaniu podczas ruchu, podczas gdy ulepszona cząstka działa odwrotnie, otaczając się spójnym spinem.

Badania te mają daleko idące implikacje dla fizyki materii skondensowanej, wykraczające nawet poza zrozumienie fizyki magnetyzmu. Na przykład postawiono hipotezę, że bardziej złożone wersje tych polaronów powodują mechanizmy sprzęgania z domieszką dziur, co może prowadzić do nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach.

Przyszłe kierunki badań nad magnetyzmem kwantowym

„Najbardziej ekscytującą częścią tych badań jest to, że tak naprawdę pokrywają się one z badaniami nad społecznością materii skondensowanej” – powiedział Max Pritchard, absolwent i współautor artykułu. „Mamy wyjątkową możliwość zapewnienia szybkiego wglądu w problem z zupełnie innej perspektywy, na czym skorzystają wszystkie strony”.

Patrząc w przyszłość, badacze już wymyślają nowe i innowacyjne sposoby dalszego badania tej dziwnej nowej formy magnetyzmu i bardziej szczegółowego badania polaryzacji spinu.

Kolejne kroki w badaniach Polarona

„W tym pierwszym eksperymencie po prostu zrobiliśmy zdjęcia polarona, co jest dopiero pierwszym krokiem” – powiedział Pritchard. „Ale teraz jesteśmy zainteresowani spektroskopowym pomiarem polaronów. Chcemy zobaczyć, jak długo polarony żyją w oddziałującym układzie, zmierzyć energię wiążącą elementy elektrody i ich efektywną masę podczas propagacji w siatce. Jest o wiele więcej do zrobienia.”

Innymi członkami zespołu są obecnie Zoe Yan Uniwersytet w Chicagooraz teoretycy Ivan Moreira z Uniwersytetu w Barcelonie w Hiszpanii i Eugene Demmler z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Zurychu w Szwajcarii. Prace eksperymentalne były wspierane przez National Science Foundation, Army Research Office oraz Fundację Davida i Lucile Packardów.

Odniesienie: „Bezpośrednie obrazowanie biegunów spinowych w kinetycznie sfrustrowanym układzie Hubbarda” autorstwa Maxa L. Pritcharda, Benjamina M. Spara, Ivana Moreiry, Eugene’a Demmlera, Zoe Z. Yan i Wasima S. Bakr, 8 maja 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6