Physiker aus Princeton entschlüsseln Geheimnisse des kinetischen Magnetismus

Physiker aus Princeton Universität Sie bildeten direkt das mikroskopische Objekt ab, das für diesen Magnetismus verantwortlich ist, eine ungewöhnliche Art von Polaron.

Nicht alle Magnete sind gleich. Wenn wir an Magnetismus denken, denken wir normalerweise an Magnete, die an der Kühlschranktür haften. Für diese Art von Magneten sind die elektronischen Wechselwirkungen, die den Magnetismus hervorrufen, seit etwa einem Jahrhundert, seit den Anfängen der Quantenmechanik, bekannt. Aber es gibt viele verschiedene Formen des Magnetismus in der Natur, und Wissenschaftler sind immer noch dabei, die Mechanismen zu entdecken, die sie antreiben.

Jetzt haben Physiker der Princeton University erhebliche Fortschritte beim Verständnis einer Form des Magnetismus gemacht, die als kinetischer Magnetismus bekannt ist, indem sie ultrakalte Atome verwenden, die mit einem künstlichen Gitter verbunden sind, das mit einem Laser hergestellt wurde. Ihre Erfahrungen werden in einem Forschungsbericht festgehalten, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturDadurch konnten die Forscher das mikroskopische Objekt, das für diesen Magnetismus verantwortlich ist, direkt abbilden, eine ungewöhnliche Art von Polaron oder Quasiteilchen, das in einem wechselwirkenden Quantensystem auftritt.

Kinetischen Magnetismus verstehen

„Das ist sehr aufregend“, sagte Waseem Bakr, Professor für Physik an der Princeton University und Hauptautor der Studie. „Der Ursprung des Magnetismus liegt in der Bewegung von Verunreinigungen in der Atommatrix, daher der Name Kinetik Magnetismus. Diese Bewegung ist höchst ungewöhnlich und führt selbst bei sehr hohen Temperaturen zu starkem Magnetismus. In Kombination mit der Möglichkeit, den Magnetismus durch Dotieren – Hinzufügen oder Entfernen von Partikeln – abzustimmen, ist kinetischer Magnetismus für Geräteanwendungen in realen Materialien sehr vielversprechend.

Bakr und sein Team untersuchten diese neue Form des Magnetismus in einem Detaillierungsgrad, der in früheren Forschungen nicht erreicht wurde. Dank der Kontrolle durch ultrakalte Atomsysteme konnten Forscher erstmals die genaue Physik visualisieren, die zum kinetischen Magnetismus führt.

Forscher der Princeton University haben die mikroskopischen Ursprünge einer neuen Art von Magnetismus direkt abgebildet. Bildnachweis: Max Pritchard, Waseem Bakr Collection an der Princeton University

Fortschrittliche Werkzeuge für Quantenentdeckungen

„Wir haben in unserem Labor die Möglichkeit, dieses System einzeln zu betrachten Mais „Die Forscher überwachen den Pegel eines einzelnen Standorts im Netzwerk und machen Schnappschüsse der präzisen Quantenkorrelationen zwischen Teilchen im System“, sagte Baker.

Seit mehreren Jahren untersuchen Bakr und sein Forschungsteam Quantenzustände, indem sie in einer Vakuumkammer mit ultrakalten subatomaren Teilchen, sogenannten Fermionen, experimentieren. Sie haben ein hochentwickeltes Gerät entwickelt, das Atome auf kryogene Temperaturen abkühlt und sie in künstlichen Kristallen hält, die als optische Gitter bekannt sind und mithilfe von Lasern hergestellt werden. Dieses System hat es Forschern ermöglicht, viele interessante Aspekte der Quantenwelt zu erforschen, einschließlich des Entstehungsverhaltens von Gruppen interagierender Teilchen.

Theoretische Grundlagen und experimentelle Erkenntnisse

Einer der ersten theoretisch vorgeschlagenen Mechanismen des Magnetismus, der den Grundstein für die aktuellen Experimente des Teams legte, ist als Nagaoka-Ferromagnetismus bekannt, benannt nach seinem Entdecker Yosuke Nagaoka. Ferromagnete sind solche, bei denen alle Elektronenspinzustände in die gleiche Richtung zeigen.

Während ein Ferromagnet mit ausgerichteten Spins der häufigste Magnettyp ist, tendieren stark wechselwirkende Elektronen im Gitter im einfachsten theoretischen Ansatz tatsächlich zu Antiferromagnetismus, wobei die Spins in abwechselnder Richtung ausgerichtet sind. Diese Bevorzugung, sich der Ausrichtung benachbarter Spins zu widersetzen, ist das Ergebnis einer indirekten Kopplung benachbarter Elektronenspins, die als Superaustausch bezeichnet wird.

Nagaoka stellte jedoch die Theorie auf, dass Ferromagnetismus auch aus einem völlig anderen Mechanismus resultieren könnte, der durch die Bewegung absichtlich hinzugefügter Verunreinigungen oder Dotierung bestimmt wird. Dies lässt sich am besten verstehen, wenn man sich ein zweidimensionales quadratisches Gitter vorstellt, bei dem jeder Gitterplatz bis auf einen mit einem Elektron besetzt ist. Ein unbesetzter Standort (oder eine ähnliche Lücke) wandert durch das Netzwerk.

Nagaoka fand heraus, dass, wenn sich das Loch in einer Umgebung mit parallelen Spins oder Ferromagneten bewegt, die verschiedenen Bewegungspfade des Quantenlochs mechanisch miteinander interferieren. Dies verstärkt die Ausbreitung des Quantenlochs außerhalb des Standorts und verringert die kinetische Energie, was ein positives Ergebnis ist.

Nagaokas Erbe und moderne Quantenmechanik

Nagaokas Theorie erlangte schnell Anerkennung, da es nur wenige schlüssige Beweise gab, die den Anspruch erhob, die Grundzustände von Systemen stark wechselwirkender Elektronen zu erklären. Aufgrund der strengen Anforderungen des Modells war es jedoch eine schwierige Herausforderung, die Konsequenzen experimentell zu überwachen. Theoretisch sollten die Reaktionen unendlich stark sein und es ist nur ein Dotierstoff erlaubt. In den fünf Jahrzehnten, nachdem Nagaoka seine Theorie vorstellte, erkannten andere Forscher, dass diese unrealistischen Bedingungen in Netzwerken mit dreieckiger Geometrie erheblich gemildert werden könnten.

Quantenexperiment und seine Auswirkungen

Zur Durchführung des Experiments verwendeten die Forscher Dämpfe von Lithium-6-Atomen. Dieses Lithiumisotop hat drei Elektronen, drei Protonen und drei Neutronen. „Die ungerade Gesamtzahl macht es zu einem fermionischen Isotop, was bedeutet, dass sich die Atome ähnlich wie Elektronen in einem Festkörpersystem verhalten“, sagte Benjamin Spar, Doktorand der Physik an der Princeton University und Mitautor der Studie.

Wenn diese Gase mithilfe von Lasern auf extreme Temperaturen von nur wenigen Milliardstel Grad abgekühlt werden Absoluter NullpunktIhr Verhalten folgt nun eher den Prinzipien der Quantenmechanik als der bekannteren klassischen Mechanik.

Erforschung von Quantenzuständen durch kalte Atomeinstellungen

„Sobald wir dieses Quantensystem erreicht haben, laden wir als Nächstes die Atome in das dreieckige optische Gitter“, sagt Spar. „Im Kaltatom-Aufbau können wir steuern, wie schnell sich die Atome bewegen oder wie stark sie miteinander interagieren.“ andere.“

In vielen stark wechselwirkenden Systemen sind die Teilchen im Gitter in einem „Todesisolator“ organisiert, einem Materiezustand, in dem ein einzelnes Teilchen jede Stelle des Gitters einnimmt. In diesem Fall gibt es schwache ferromagnetische Wechselwirkungen aufgrund eines überflüssigen Austauschs zwischen den Spins von Elektronen an benachbarten Stellen. Doch anstatt einen sterbenden Puffer zu verwenden, verwendeten die Forscher eine Technik namens „Grafting“, die entweder einige Moleküle entfernt und so „Löcher“ im Netz hinterlässt, oder zusätzliche Moleküle hinzufügt.

Entdeckung neuer Formen des Quantenmagnetismus

„Wir beginnen in unserem Experiment nicht mit einem Samen pro Standort“, sagte Baker. „Stattdessen bedecken wir das Gitter mit Löchern oder Molekülen. Und wenn man das macht, stellt man fest, dass in diesen Systemen eine viel stärkere Form des Magnetismus auf einer höheren Energieskala beobachtet wird als der übliche Superaustauschmagnetismus. Diese Energieskala hat.“ mit Atomen zu tun haben, die im Gitter springen.

Durch die Ausnutzung der größeren Abstände zwischen den Gitterplätzen in optischen Netzwerken im Vergleich zu realen Materialien konnten die Forscher mithilfe optischer Mikroskopie sehen, was auf der Ebene einzelner Gitterplätze geschah. Sie fanden heraus, dass die Objekte, die für diese neue Form des Magnetismus verantwortlich sind, eine neue Art von Magnetpolen sind.

Die Rolle von Polaronen in Quantensystemen

„Ein Polaron ist ein Quasiteilchen, das in einem Quantensystem mit vielen interagierenden Komponenten auftritt“, sagte Baker. „Es verhält sich sehr ähnlich wie ein normales Teilchen, das heißt, es hat Eigenschaften wie Ladung, Spin und effektive Masse, aber es ist kein echtes Teilchen wie ein Atom. In diesem Fall handelt es sich um ein Dotierungsmaterial, das sich mit einer Störung in seiner magnetischen Umgebung bewegt.“ oder wie die Spins um sie herum relativ zueinander ausgerichtet sind.

In realen Materialien wurde diese neue Form des Magnetismus zuvor in sogenannten Moiré-Materialien beobachtet, die aus gestapelten 2D-Kristallen bestehen, und dies geschah erst im letzten Jahr.

Erforschen Sie den Quantenmagnetismus genauer

„Die für diese Materialien verfügbaren Magnetismussonden sind begrenzt. Experimente mit Moiré-Materialien haben die makroskopischen Effekte gemessen, die damit verbunden sind, wie ein großes Materialstück reagiert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird“, sagte Spar Tauchen Sie tiefer in die physikalischen Mikrostrukturen ein, die für den Magnetismus verantwortlich sind. Wir haben detaillierte Bilder aufgenommen, die die Spin-Korrelationen rund um mobiles Doping aufzeigen. Beispielsweise umgibt sich eine mit Löchern gefüllte Umgebung bei ihrer Bewegung mit einem Anti-Ausrichtungs-Spin, während ein verstärktes Teilchen das Gegenteil tut und sich mit einem kohärenten Spin umgibt.

Diese Forschung hat weitreichende Auswirkungen auf die Physik der kondensierten Materie, die sogar über das Verständnis der Physik des Magnetismus hinausgeht. Beispielsweise wurde die Hypothese aufgestellt, dass komplexere Versionen dieser Polaronen zu Lochdotierungs-Kopplungsmechanismen führen, die bei hohen Temperaturen zu Supraleitung führen könnten.

Zukünftige Richtungen in der Quantenmagnetismusforschung

„Das Spannendste an dieser Forschung ist, dass sie tatsächlich mit Studien in der Gemeinschaft der kondensierten Materie übereinstimmt“, sagte Max Pritchard, ein Doktorand und Mitautor der Arbeit. „Wir sind in der einzigartigen Position, zeitnahe Einblicke in ein Problem aus einem völlig anderen Blickwinkel zu gewähren, und alle Parteien werden davon profitieren.“

Mit Blick auf die Zukunft entwickeln Forscher bereits neue und innovative Wege, um diese seltsame neue Form des Magnetismus weiter zu erforschen – und die Spinpolarität detaillierter zu untersuchen.

Nächste Schritte in der Polaron-Forschung

„In diesem ersten Experiment haben wir einfach Schnappschüsse des Polarons gemacht, was nur der erste Schritt ist“, sagte Pritchard. „Aber jetzt sind wir daran interessiert, eine spektroskopische Messung von Polaronen durchzuführen. Wir wollen sehen, wie lange die Polaronen im Wechselwirkungssystem leben, um die Energie zu messen, die die Elektrodenkomponenten bindet, und ihre effektive Masse, wenn sie sich im Gitter ausbreiten. Es gibt eine noch viel zu tun.

Weitere Mitglieder des Teams sind Zoe Yan, jetzt dabei Universität von Chicagound Theoretiker Ivan Moreira, Universität Barcelona, ​​​​Spanien, und Eugene Demmler, Institut für Theoretische Physik in Zürich, Schweiz. Die experimentelle Arbeit wurde von der National Science Foundation, dem Army Research Office und der David and Lucile Packard Foundation unterstützt.

Referenz: „Direkte Abbildung von Spinpolen in einem kinetisch frustrierten Hubbard-System“ von Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan und Wasim S. Bakr, 8. Mai 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6