Фізики Прінстона розкривають секрети кінетичного магнетизму

Фізики с Прінстонський університет Вони прямо зобразили мікроскопічний об’єкт, відповідальний за цей магнетизм, незвичайний тип полярону.

Не всі магніти однакові. Коли ми думаємо про магнетизм, ми зазвичай думаємо про магніти, які приклеюються до дверцят холодильника. Для цих типів магнітів електронні взаємодії, які породжують магнетизм, були зрозумілі вже близько століття, з перших днів квантової механіки. Але в природі існує багато різних форм магнетизму, і вчені все ще відкривають механізми, які ними керують.

Тепер фізики з Прінстонського університету досягли значного прогресу в розумінні форми магнетизму, відомої як кінетичний магнетизм, використовуючи ультрахолодні атоми, пов’язані зі штучною решіткою, створеною за допомогою лазера. Їхній досвід описується в дослідницькій статті, опублікованій цього тижня в журналі природиЦе дозволило дослідникам безпосередньо зобразити мікроскопічний об’єкт, відповідальний за цей магнетизм, незвичайний тип полярону або квазічастинки, який з’являється у взаємодіючій квантовій системі.

Розуміння кінетичного магнетизму

«Це дуже захоплююче», — сказав Васім Бакр, професор фізики Прінстонського університету та провідний автор дослідження. «Походження магнетизму пов’язане з рухом домішок в атомній матриці, звідки і назва Кінетика магнетизм. Цей рух є надзвичайно незвичним і призводить до сильного магнетизму навіть за дуже високих температур. У поєднанні з можливістю налаштування магнетизму за допомогою легування – додавання або видалення частинок – кінетичний магнетизм є дуже перспективним для застосування пристроїв у реальних матеріалах.

Бакр і його команда вивчили цю нову форму магнетизму з рівнем деталізації, якого не досягли попередні дослідження. Завдяки контролю, який забезпечують ультрахолодні атомні системи, дослідники вперше змогли візуалізувати точну фізику, яка породжує кінетичний магнетизм.

Дослідники Прінстонського університету прямо відобразили мікроскопічне походження нового типу магнетизму. Автор зображення: Макс Прітчард, колекція Васіма Бакра в Прінстонському університеті

Передові інструменти для квантових відкриттів

«У нашій лабораторії ми маємо можливість розглядати цю систему окремо кукурудза «Дослідники стежать за рівнем одного місця в мережі та роблять знімки точних квантових кореляцій між частинками в системі», — сказав Бейкер.

Протягом кількох років Бакр і його дослідницька група вивчали квантові стани, експериментуючи з ультрахолодними субатомними частинками, відомими як ферміони, у вакуумній камері. Вони створили складний пристрій, який охолоджує атоми до кріогенних температур і утримує їх у штучних кристалах, відомих як оптичні решітки, створені за допомогою лазерів. Ця система дозволила дослідникам досліджувати багато цікавих аспектів квантового світу, включно з емерджентною поведінкою груп взаємодіючих частинок.

Теоретичні основи та експериментальні висновки

Один із ранніх теоретично запропонованих механізмів магнетизму, який заклав основу для поточних експериментів команди, відомий як феромагнетизм Нагаока, названий на честь свого першовідкривача Йосуке Нагаока. Феромагнетики – це ті, у яких усі спінові стани електронів спрямовані в одному напрямку.

У той час як феромагнетик із вирівняними спінами є найпоширенішим типом магніту, у найпростішій теоретичній установці сильно взаємодіючі електрони на решітці фактично прагнуть до антиферомагнетизму, при цьому спіни вибудовуються в чергуються напрямках. Ця перевага протистояти вирівнюванню сусідніх спінів виникає в результаті непрямого зв’язку сусідніх електронних спінів, відомого як суперобмін.

Однак Нагаока висунув теорію, що феромагнетизм також може бути результатом зовсім іншого механізму, який визначається рухом навмисно доданих домішок або легуванням. Найкраще це можна зрозуміти, уявивши двовимірну квадратну решітку, де кожен вузол решітки, крім одного, зайнятий електроном. Незайнятий сайт (або подібна діра) бродить мережею.

Нагаока виявив, що якщо дірка рухається в середовищі з паралельними спінами або феромагнетиками, різні шляхи руху квантової дірки механічно заважають один одному. Це посилює поширення квантової дірки за межі ділянки та зменшує кінетичну енергію, що є позитивним результатом.

Спадщина Нагаока та сучасна квантова механіка

Теорія Нагаоки швидко отримала визнання, оскільки було мало строгих доказів, які стверджували, що вони пояснюють фундаментальні стани систем сильно взаємодіючих електронів. Але спостереження за наслідками за допомогою експериментів було складним завданням через суворі вимоги моделі. Теоретично реакції повинні бути нескінченно сильними, і допускається лише одна легуюча добавка. Протягом п’яти десятиліть після того, як Нагаока запропонував свою теорію, інші дослідники зрозуміли, що ці нереалістичні умови можна значно полегшити в мережах із трикутною геометрією.

Квантовий експеримент та його ефекти

Для проведення експерименту дослідники використовували пари атомів літію-6. Цей ізотоп літію має три електрони, три протони і три нейтрони. «Непарне загальне число робить цей ізотоп ферміонним, що означає, що атоми поводяться подібно до електронів у твердотільній системі», — сказав Бенджамін Спар, аспірант фізики Прінстонського університету та співавтор дослідження.

Коли ці гази охолоджуються за допомогою лазерів до екстремальних температур лише в кілька мільярдних часток градуса Абсолютний нульЇх поведінка починає підкорятися принципам квантової механіки, а не більш звичної класичної механіки.

Дослідження квантових станів через налаштування холодного атома

«Як тільки ми досягнемо цієї квантової системи, наступне, що ми робимо, — це завантажуємо атоми в трикутну оптичну решітку, — говорить Спар. — У системі холодного атома ми можемо контролювати, наскільки швидко атоми рухаються або наскільки сильно вони взаємодіють з кожним інший.”

У багатьох високовзаємодіючих системах частинки в решітці організовані в «ізолятор смерті», стан матерії, в якому одна частинка займає кожне місце в решітці. У цьому випадку виникають слабкі феромагнітні взаємодії внаслідок надлишкового обміну між спінами електронів у сусідніх вузлах. Але замість використання ізолятора, що вмирає, дослідники застосували техніку під назвою «щеплення», яка або видаляє деякі молекули, залишаючи таким чином «дірки» в сітці, або додає додаткові молекули.

Відкриття нових форм квантового магнетизму

«Ми не починаємо з одного насіння на ділянку в нашому експерименті», — сказав Бейкер. «Замість цього ми покриваємо решітку дірками або молекулами. І коли ви це робите, ви виявляєте, що існує набагато сильніша форма магнетизму, яка спостерігається в цих системах на вищому енергетичному масштабі, ніж звичайний суперобмінний магнетизм. Цей енергетичний масштаб має це стосується атомів, які стрибають у решітці».

Використовуючи більшу відстань між вузлами решітки в оптичних мережах порівняно з реальними матеріалами, дослідники змогли побачити, що відбувається на рівні одного вузла за допомогою оптичної мікроскопії. Вони виявили, що об’єкти, відповідальні за цю нову форму магнетизму, є новим типом магнітних полюсів.

Роль поляронів у квантових системах

«Полярон — це квазічастинка, яка з’являється в квантовій системі з багатьма взаємодіючими компонентами», — сказав Бейкер. «Вона поводиться дуже схоже на звичайну частинку, тобто має такі властивості, як заряд, обертання та ефективна маса, але це не справжня частинка, як атом. У цьому випадку це легуючий матеріал, який рухається зі збуренням у своєму магнітному середовищі , або як спіни вирівняні навколо них відносно один одного.

У реальних матеріалах цю нову форму магнетизму раніше спостерігали в так званих муарових матеріалах, що складаються із складених 2D кристалів, і це сталося лише за останній рік.

Дослідіть глибше квантовий магнетизм

“Доступні зонди магнетизму для цих матеріалів обмежені. Експерименти з муаровими матеріалами виміряли макроскопічні ефекти, пов’язані з тим, як великий шматок матеріалу реагує на застосування магнітного поля”, – сказав Спар заглибитись у фізику Мікроструктури, відповідальні за магнетизм. Ми зробили детальні зображення, які показують спінову кореляцію навколо мобільного легування. Наприклад, заповнене отвором оточення оточує себе обертанням проти вирівнювання під час руху, тоді як посилена частинка робить навпаки, оточуючи себе когерентним обертанням.

Це дослідження має далекосяжні наслідки для фізики конденсованих речовин, навіть за межі розуміння фізики магнетизму. Наприклад, була висунута гіпотеза, що більш складні версії цих поляронів створюють механізми зв’язку легування дірок, що може призвести до надпровідності при високих температурах.

Майбутні напрямки дослідження квантового магнетизму

«Найцікавішим у цьому дослідженні є те, що воно дійсно збігається з дослідженнями спільноти конденсованих речовин», — сказав Макс Прітчард, аспірант і співавтор статті. «Ми маємо унікальні можливості, щоб своєчасно поглянути на проблему під зовсім іншим кутом, і всі сторони від цього виграють».

Дивлячись у майбутнє, дослідники вже винаходять нові та інноваційні способи подальшого вивчення цієї дивної нової форми магнетизму та більш детального дослідження полярності обертання.

Подальші кроки в дослідженні Полярону

«У цьому першому експерименті ми просто зробили знімки полярона, що є лише першим кроком», — сказав Прітчард. «Але зараз ми зацікавлені в спектральному вимірюванні поляронів. Ми хочемо побачити, як довго полярони живуть у взаємодіючій системі, щоб виміряти енергію зв’язування електродних компонентів і їх ефективну масу, коли вони поширюються в решітці. Є багато іншого. зробити.”

Іншими членами команди є Зої Ян, яка зараз увійшла Чиказький університеті теоретики Іван Морейра, Університет Барселони, Іспанія, і Юджин Деммлер, Інститут теоретичної фізики в Цюріху, Швейцарія. Експериментальна робота була підтримана Національним науковим фондом, Управлінням досліджень армії та Фондом Девіда та Люсіль Паккард.

Довідка: Макс Л. Прітчард, Бенджамін М. Спар, Іван Морейра, Юджин Деммлер, Зої З. Ян і Васім С. «Пряме зображення полюсів обертання в кінетично фрустрованій системі Хаббарда». Бакр, 8 травня 2024 р. природи.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6