Fyzici z Princetonská univerzita Priamo zobrazili mikroskopický objekt zodpovedný za tento magnetizmus, nezvyčajný typ polarónu.

Nie všetky magnety sú rovnaké. Keď premýšľame o magnetizme, zvyčajne si predstavíme magnety, ktoré sa prilepia na dvere chladničky. Pre tieto typy magnetov sú elektronické interakcie, ktoré spôsobujú magnetizmus, pochopené asi storočie, od prvých dní kvantovej mechaniky. V prírode však existuje veľa rôznych foriem magnetizmu a vedci stále objavujú mechanizmy, ktoré ich poháňajú.

Teraz fyzici z Princetonskej univerzity urobili významný pokrok v chápaní formy magnetizmu známej ako kinetický magnetizmus pomocou ultrachladných atómov spojených s umelou mriežkou vyrobenou laserom. Ich skúsenosti sú zaznamenané vo výskumnom článku uverejnenom tento týždeň v časopise prírodyTo umožnilo výskumníkom priamo zobraziť mikroskopický objekt zodpovedný za tento magnetizmus, nezvyčajný typ polarónu alebo kvázičastice, ktorý sa objavuje v interagujúcom kvantovom systéme.

Pochopenie kinetického magnetizmu

„Je to veľmi vzrušujúce,“ povedal Waseem Bakr, profesor fyziky na Princetonskej univerzite a hlavný autor štúdie. „Pôvod magnetizmu súvisí s pohybom nečistôt v atómovej matrici, odtiaľ názov Kinetika Magnetizmus. Tento pohyb je veľmi nezvyčajný a vedie k silnému magnetizmu aj pri veľmi vysokých teplotách. V kombinácii s možnosťou vyladenia magnetizmu dopingom – pridávaním alebo odstraňovaním častíc – je kinetický magnetizmus veľmi sľubný pre aplikácie zariadení v reálnych materiáloch.

Bakr a jeho tím študovali túto novú formu magnetizmu na úrovni detailov, ktoré sa v predchádzajúcom výskume nedosiahli. Vďaka riadeniu, ktoré poskytujú ultrachladné atómové systémy, boli výskumníci po prvýkrát schopní vizualizovať presnú fyziku, ktorá vedie k vzniku kinetického magnetizmu.

Výskumníci z Princetonskej univerzity priamo zobrazili mikroskopický pôvod nového typu magnetizmu. Obrazový kredit: Max Pritchard, Waseem Bakr Collection na Princetonskej univerzite

Pokročilé nástroje pre kvantové objavy

„V našom laboratóriu máme možnosť pozrieť sa na tento systém individuálne kukurica „Výskumníci monitorujú úroveň jedného miesta v sieti a robia snímky presných kvantových korelácií medzi časticami v systéme,“ povedal Baker.

Bakr a jeho výskumný tím niekoľko rokov študovali kvantové stavy experimentovaním s ultrachladnými subatomárnymi časticami známymi ako fermióny vo vákuovej komore. Vytvorili sofistikované zariadenie, ktoré ochladzuje atómy na kryogénne teploty a drží ich v umelých kryštáloch známych ako optické mriežky vytvorené pomocou laserov. Tento systém umožnil výskumníkom preskúmať mnohé zaujímavé aspekty kvantového sveta, vrátane vznikajúceho správania skupín interagujúcich častíc.

Teoretické základy a experimentálne poznatky

Jeden z prvých teoreticky navrhovaných mechanizmov magnetizmu, ktorý položil základy súčasných experimentov tímu, je známy ako feromagnetizmus Nagaoka, pomenovaný po svojom objaviteľovi Yosuke Nagaokovi. Feromagnety sú tie, v ktorých všetky stavy spinu elektrónov smerujú rovnakým smerom.

Zatiaľ čo feromagnet so zarovnanými rotáciami je najbežnejším typom magnetu, v najjednoduchšom teoretickom nastavení majú silne interagujúce elektróny na mriežke v skutočnosti tendenciu k antiferomagnetizmu, pričom rotácie sú usporiadané v striedavých smeroch. Táto preferencia odolávať zarovnaniu susedných spinov nastáva v dôsledku nepriameho spojenia susedných spinov elektrónov známej ako supervýmena.

Nagaoka však teoretizoval, že feromagnetizmus môže byť tiež výsledkom úplne iného mechanizmu, ktorý je určený pohybom zámerne pridaných nečistôt alebo dopingu. To možno najlepšie pochopiť, keď si predstavíme dvojrozmernú štvorcovú mriežku, kde každé miesto mriežky, okrem jedného, ​​je obsadené elektrónom. Neobsadené miesto (alebo podobná diera) prechádza sieťou.

Nagaoka zistil, že ak sa diera pohybuje v prostredí s paralelnými rotáciami alebo feromagnetmi, rôzne dráhy pohybu kvantovej diery sa navzájom mechanicky rušia. To zvyšuje šírenie kvantovej diery mimo miesta a znižuje kinetickú energiu, čo je pozitívny výsledok.

Odkaz Nagaoka a moderná kvantová mechanika

Nagaokova teória rýchlo získala uznanie, pretože existovalo len málo prísnych dôkazov, ktoré tvrdili, že vysvetľujú základné stavy systémov silne interagujúcich elektrónov. Ale sledovanie následkov prostredníctvom experimentov bolo zložitou výzvou kvôli prísnym požiadavkám modelu. Teoreticky by reakcie mali byť nekonečne silné a povolený je len jeden dopant. Počas piatich desaťročí po tom, čo Nagaoka navrhol svoju teóriu, si iní výskumníci uvedomili, že tieto nereálne podmienky by sa dali výrazne zmierniť v sieťach s trojuholníkovou geometriou.

Kvantový experiment a jeho účinky

Na uskutočnenie experimentu výskumníci použili výpary lítium-6 atómov. Tento izotop lítia má tri elektróny, tri protóny a tri neutróny. „Nepárne celkové číslo z toho robí fermiónový izotop, čo znamená, že atómy sa správajú podobne ako elektróny v pevnom systéme,“ povedal Benjamin Spar, postgraduálny študent fyziky na Princetonskej univerzite a spoluautor štúdie.

Keď sú tieto plyny ochladzované pomocou laserov na extrémne teploty iba niekoľkých miliardtín stupňa Absolútna nulaIch správanie sa začína riadiť skôr princípmi kvantovej mechaniky než známejšej klasickej mechaniky.

Skúmanie kvantových stavov prostredníctvom nastavení studených atómov

„Akonáhle dosiahneme tento kvantový systém, ďalšia vec, ktorú urobíme, je vložiť atómy do trojuholníkovej optickej mriežky,“ hovorí Spar „V nastavení studených atómov môžeme ovládať, ako rýchlo sa atómy pohybujú alebo ako silne interagujú s každým iné.”

V mnohých vysoko interagujúcich systémoch sú častice v mriežke organizované v „izolátore smrti“, čo je stav hmoty, v ktorom jedna častica zaberá každé miesto v mriežke. V tomto prípade existujú slabé feromagnetické interakcie v dôsledku nadbytočnej výmeny medzi spinmi elektrónov v susedných miestach. Ale namiesto použitia odumierajúceho izolátora vedci použili techniku ​​​​nazývanú „štepenie“, ktorá buď odstráni niektoré molekuly, čím zanechá „diery“ v sieti, alebo pridá ďalšie molekuly.

Objavovanie nových foriem kvantového magnetizmu

„V našom experimente nezačíname s jedným semenom na miesto,“ povedal Baker. „Namiesto toho pokryjeme mriežku dierami alebo molekulami. A keď to urobíte, zistíte, že existuje oveľa silnejšia forma magnetizmu, ktorá je pozorovaná v týchto systémoch na vyššej energetickej škále ako bežný supervýmenný magnetizmus. Táto energetická škála má čo do činenia s atómami skákajúcimi v mriežke.“

Využitím väčších vzdialeností medzi miestami mriežky v optických sieťach v porovnaní so skutočnými materiálmi boli výskumníci schopní vidieť, čo sa deje na úrovni jedného miesta pomocou optickej mikroskopie. Zistili, že objekty zodpovedné za túto novú formu magnetizmu sú novým typom magnetického pólu.

Úloha polarónov v kvantových systémoch

„Polarón je kvázičastica, ktorá sa objavuje v kvantovom systéme s mnohými interagujúcimi komponentmi,“ povedal Baker. „Správa sa veľmi podobne ako bežná častica, čo znamená, že má vlastnosti ako náboj, rotácia a efektívna hmotnosť, ale nie je to skutočná častica ako atóm, v tomto prípade ide o dopingový materiál, ktorý sa vo svojom magnetickom prostredí pohybuje s poruchou alebo ako sú rotácie navzájom zarovnané.“

V reálnych materiáloch bola táto nová forma magnetizmu predtým pozorovaná v takzvaných moaré materiáloch tvorených naskladanými 2D kryštálmi, a to sa stalo až v minulom roku.

Preskúmajte hlbšie kvantový magnetizmus

„Magnetické sondy dostupné pre tieto materiály sú obmedzené.“ Experimenty s moaré materiálmi merali makroskopické efekty spojené s tým, ako veľký kus materiálu reaguje, keď je aplikované magnetické pole, „povedal Spar.“ ponorte sa hlbšie do fyziky Mikroštruktúry zodpovedné za magnetizmus. Zachytili sme podrobné obrázky, ktoré odhaľujú spinové korelácie okolo mobilného dopingu. Napríklad dierami vyplnený priestor sa pri pohybe obklopuje rotáciou proti zarovnaniu, zatiaľ čo vylepšená častica robí opak a obklopuje sa koherentným rotovaním.

Tento výskum má ďalekosiahle dôsledky pre fyziku kondenzovaných látok, dokonca aj nad rámec pochopenia fyziky magnetizmu. Predpokladalo sa napríklad, že zložitejšie verzie týchto polarónov spôsobujú spojovacie mechanizmy s dierami, ktoré by mohli viesť k supravodivosti pri vysokých teplotách.

Budúce smery výskumu kvantového magnetizmu

„Najvzrušujúcejšia časť tohto výskumu je, že sa skutočne zhoduje so štúdiami v komunite kondenzovaných látok,“ povedal Max Pritchard, postgraduálny študent a spoluautor článku. „Máme jedinečnú pozíciu na to, aby sme poskytli včasný pohľad na problém z úplne iného uhla pohľadu, z čoho budú mať prospech všetky strany.“

Pri pohľade do budúcnosti výskumníci už prichádzajú s novými a inovatívnymi spôsobmi, ako ďalej skúmať túto zvláštnu novú formu magnetizmu – a podrobnejšie skúmať spinovú polaritu.

Ďalšie kroky vo výskume Polaron

„V tomto prvom experimente sme jednoducho urobili snímky polarónu, čo je len prvý krok,“ povedal Pritchard. „Teraz nás však zaujíma spektroskopické meranie polarónov. Chceme vidieť, ako dlho žijú polaróny v interagujúcom systéme, zmerať energiu viažucu komponenty elektród a ich efektívnu hmotnosť pri ich šírení v mriežke. Je toho oveľa viac robiť.“

Ďalšími členmi tímu sú Zoe Yan, ktorá je teraz in University of Chicagoa teoretici Ivan Moreira z Barcelonskej univerzity v Španielsku a Eugene Demmler z Inštitútu pre teoretickú fyziku v Zürichu vo Švajčiarsku. Experimentálnu prácu podporili National Science Foundation, Army Research Office a David and Lucile Packard Foundation.

Odkaz: „Priame zobrazovanie spinových pólov v kineticky frustrovanom Hubbardovom systéme“ od Maxa L. Pritcharda, Benjamina M. Spara, Ivana Moreiru, Eugena Demmlera, Zoe Z. Yana a Wasima S. Bakr, 8. máj 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6