Физики из Принстона раскрывают секреты кинетического магнетизма

Физики из Университет Принстон Они непосредственно получили изображение микроскопического объекта, ответственного за этот магнетизм, необычного типа полярона.

Не все магниты одинаковы. Когда мы думаем о магнетизме, мы обычно думаем о магнитах, которые прилипают к дверце холодильника. Для этих типов магнитов электронные взаимодействия, порождающие магнетизм, были понятны уже около столетия, с первых дней существования квантовой механики. Но в природе существует множество различных форм магнетизма, и ученые все еще открывают механизмы, которые ими управляют.

Теперь физики из Принстонского университета добились значительного прогресса в понимании формы магнетизма, известной как кинетический магнетизм, используя ультрахолодные атомы, связанные с искусственной решеткой, созданной с помощью лазера. Их опыт описан в исследовательской статье, опубликованной на этой неделе в журнале. природаЭто позволило исследователям напрямую получить изображение микроскопического объекта, ответственного за этот магнетизм, необычного типа полярона или квазичастицы, который появляется во взаимодействующей квантовой системе.

Понимание кинетического магнетизма

«Это очень интересно», — сказал Васим Бакр, профессор физики Принстонского университета и ведущий автор исследования. «Происхождение магнетизма связано с движением примесей в атомной матрице, отсюда и название Кинетика Магнетизм. Это движение весьма необычно и приводит к сильному магнетизму даже при очень высоких температурах. В сочетании с возможностью настройки магнетизма с помощью легирования – добавления или удаления частиц – кинетический магнетизм очень перспективен для применения в устройствах с реальными материалами.

Бакр и его команда изучили эту новую форму магнетизма на уровне детализации, недостижимом в предыдущих исследованиях. Благодаря контролю, обеспечиваемому ультрахолодными атомными системами, исследователи впервые смогли визуализировать точную физику, которая порождает кинетический магнетизм.

Исследователи из Принстонского университета непосредственно отобразили микроскопическое происхождение нового типа магнетизма. Изображение предоставлено: Макс Притчард, Коллекция Васима Бакра в Принстонском университете

Передовые инструменты для квантовых открытий

«В нашей лаборатории есть возможность рассмотреть эту систему индивидуально. кукуруза «Исследователи отслеживают уровень отдельного места в сети и делают снимки точных квантовых корреляций между частицами в системе», — сказал Бейкер.

В течение нескольких лет Бакр и его исследовательская группа изучали квантовые состояния, экспериментируя с ультрахолодными субатомными частицами, известными как фермионы, в вакуумной камере. Они создали сложное устройство, которое охлаждает атомы до криогенных температур и удерживает их в искусственных кристаллах, известных как оптические решетки, созданных с помощью лазерных лучей. Эта система позволила исследователям изучить многие интересные аспекты квантового мира, включая эмерджентное поведение групп взаимодействующих частиц.

Теоретические основы и экспериментальные открытия

Один из первых теоретически предложенных механизмов магнетизма, положивший начало нынешним экспериментам команды, известен как ферромагнетизм Нагаока, названный в честь его первооткрывателя Ёсуке Нагаока. Ферромагнетики — это те, в которых все состояния электронного спина направлены в одном направлении.

Хотя ферромагнетик с выровненными спинами является наиболее распространенным типом магнита, в простейшей теоретической постановке сильно взаимодействующие электроны на решетке на самом деле имеют тенденцию к антиферромагнетизму, при этом спины выстраиваются в чередующихся направлениях. Это предпочтение сопротивляться выравниванию соседних спинов происходит в результате непрямого взаимодействия соседних электронных спинов, известного как суперобмен.

Однако Нагаока предположил, что ферромагнетизм может быть результатом совершенно другого механизма, определяемого движением намеренно добавленных примесей или легированием. Лучше всего это можно понять, представив двумерную квадратную решетку, в которой каждый узел решетки, кроме одного, занят электроном. В сети бродит незанятый сайт (или подобная дыра).

Нагаока обнаружил, что если дырка движется в среде с параллельными спинами или ферромагнетиками, разные пути движения квантовой дыры механически интерферируют друг с другом. Это усиливает распространение квантовой дыры за пределы участка и уменьшает кинетическую энергию, что является положительным результатом.

Наследие Нагаоки и современная квантовая механика

Теория Нагаоки быстро получила признание, поскольку строгих доказательств, претендующих на объяснение фундаментальных состояний систем сильно взаимодействующих электронов, было мало. Но мониторинг последствий посредством экспериментов оказался сложной задачей из-за строгих требований модели. Теоретически реакции должны быть бесконечно сильными и допускается только одна добавка. Спустя пять десятилетий после того, как Нагаока предложил свою теорию, другие исследователи поняли, что эти нереалистичные условия можно значительно облегчить с помощью сетей с треугольной геометрией.

Квантовый эксперимент и его последствия

Для проведения эксперимента исследователи использовали пары атомов лития-6. Этот изотоп лития имеет три электрона, три протона и три нейтрона. «Нечетное общее число делает этот изотоп фермионным, а это означает, что атомы ведут себя аналогично электронам в твердотельной системе», — сказал Бенджамин Спар, аспирант физики Принстонского университета и соавтор исследования.

Когда эти газы охлаждаются с помощью лазеров до экстремальных температур всего в несколько миллиардных долей градуса. Абсолютный нольИх поведение начинает подчиняться принципам квантовой механики, а не более привычной классической механики.

Исследование квантовых состояний с помощью настроек холодного атома

«Как только мы создадим эту квантовую систему, следующее, что мы сделаем, — это загрузим атомы в треугольную оптическую решетку», — говорит Спар. «В установке с холодными атомами мы можем контролировать, как быстро движутся атомы или насколько сильно они взаимодействуют с каждым из них. другой.»

Во многих высоковзаимодействующих системах частицы решетки организованы в «изолятор смерти» — состояние вещества, в котором каждый узел решетки занимает одна частица. В этом случае имеют место слабые ферромагнитные взаимодействия из-за избыточного обмена между спинами электронов в соседних узлах. Но вместо использования буфера смерти исследователи использовали технику под названием «прививка», которая либо удаляет некоторые молекулы, оставляя таким образом «дыры» в сетке, либо добавляет дополнительные молекулы.

Открытие новых форм квантового магнетизма

«В нашем эксперименте мы не начинаем с одного семени на участок», — сказал Бейкер. «Вместо этого мы покрываем решетку дырками или молекулами. И когда вы это сделаете, вы обнаружите, что существует гораздо более сильная форма магнетизма, которая наблюдается в этих системах на более высоком энергетическом масштабе, чем обычный сверхобменный магнетизм. Этот энергетический масштаб имеет связано с атомами, прыгающими в решетке».

Воспользовавшись большими расстояниями между узлами решетки в оптических сетях по сравнению с реальными материалами, исследователи смогли увидеть, что происходит на уровне одного узла, с помощью оптической микроскопии. Они обнаружили, что объекты, ответственные за эту новую форму магнетизма, представляют собой новый тип магнитного полюса.

Роль поляронов в квантовых системах

«Полярон — это квазичастица, которая появляется в квантовой системе со многими взаимодействующими компонентами», — сказал Бейкер. «Он ведет себя очень похоже на обычную частицу, то есть обладает такими свойствами, как заряд, спин и эффективная масса, но это не настоящая частица, такая как атом. В данном случае это легирующий материал, который движется с возмущением в своей магнитной среде. или как выровнены вращения вокруг них относительно друг друга.

В реальных материалах эта новая форма магнетизма ранее наблюдалась в так называемых муаровых материалах, состоящих из сложенных друг на друга двумерных кристаллов, и это произошло только в прошлом году.

Исследуйте глубже квантовый магнетизм

«Зонды магнетизма, доступные для этих материалов, ограничены. Эксперименты с муаровыми материалами позволили измерить макроскопические эффекты, связанные с тем, как большой кусок материала реагирует на воздействие магнитного поля», — сказал Спар. «С помощью установки с холодными атомами мы можем это сделать. углубитесь в физику микроструктур, отвечающих за магнетизм. Мы получили подробные изображения, которые показывают спиновые корреляции вокруг мобильного допинга. Например, окружение, заполненное дырками, окружает себя антивыравнивающим вращением при движении, в то время как улучшенная частица делает противоположное, окружая себя когерентным вращением.

Это исследование имеет далеко идущие последствия для физики конденсированного состояния, выходя даже за рамки понимания физики магнетизма. Например, была выдвинута гипотеза, что более сложные версии этих поляронов вызывают механизмы легирования дырок, которые могут привести к сверхпроводимости при высоких температурах.

Будущие направления исследований квантового магнетизма

«Самое интересное в этом исследовании то, что оно действительно совпадает с исследованиями в области конденсированных сред», — сказал Макс Притчард, аспирант и соавтор исследования. «Мы располагаем уникальными возможностями, позволяющими своевременно взглянуть на проблему с совершенно другой точки зрения, и от этого выиграют все стороны».

Заглядывая в будущее, исследователи уже придумывают новые и инновационные способы дальнейшего изучения этой странной новой формы магнетизма – и более подробного изучения спиновой полярности.

Следующие шаги в исследованиях полярона

«В этом первом эксперименте мы просто сделали снимки полярона, и это только первый шаг», — сказал Притчард. «Но сейчас нас интересуют спектроскопические измерения поляронов. Мы хотим посмотреть, как долго поляроны живут во взаимодействующей системе, измерить энергию связи компонентов электрода и их эффективную массу при распространении в решетке. Это еще много всего делать.»

Другие члены команды — Зои Ян, сейчас в Чикагский университети теоретики Иван Морейра, Университет Барселоны, Испания, и Юджин Деммлер, Институт теоретической физики в Цюрихе, Швейцария. Экспериментальную работу поддержали Национальный научный фонд, Армейский исследовательский офис и Фонд Дэвида и Люсиль Паккард.

Ссылка: «Прямое изображение спиновых полюсов в кинетически нарушенной системе Хаббарда» Макса Л. Притчарда, Бенджамина М. Спара, Ивана Морейры, Юджина Деммлера, Зои З. Ян и Васима С. Бакр, 8 мая 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07356-6