Princetoni fizikusok feltárják a kinetikus mágnesesség titkait

Fizikusok a Princeton egyetem Közvetlenül leképezték a mágnesességért felelős mikroszkopikus objektumot, amely egy szokatlan típusú polaron.

Nem minden mágnes egyforma. Amikor a mágnesességre gondolunk, általában a hűtőszekrény ajtajához tapadó mágnesekre gondolunk. Az ilyen típusú mágneseknél a mágnesességet előidéző ​​elektronikus kölcsönhatásokat körülbelül egy évszázada, a kvantummechanika kezdetei óta ismerik. De a természetben a mágnesességnek sokféle formája létezik, és a tudósok még mindig felfedezik az ezeket mozgató mechanizmusokat.

A Princeton Egyetem fizikusai mostanra jelentős előrelépést értek el a mágnesesség kinetikus mágnesességnek nevezett formájának megértésében, ultrahideg atomok segítségével, amelyeket lézerrel készített mesterséges rácshoz kapcsoltak. Tapasztalataikat a folyóiratban ezen a héten megjelent kutatási cikk írja le természetLehetővé tette a kutatók számára, hogy közvetlenül leképezzék a mágnesességért felelős mikroszkopikus objektumot, egy szokatlan típusú polaront vagy kvázirészecskét, amely egy kölcsönhatásban lévő kvantumrendszerben jelenik meg.

A kinetikus mágnesesség megértése

„Ez nagyon izgalmas” – mondta Waseem Bakr, a Princetoni Egyetem fizikaprofesszora és a tanulmány vezető szerzője. „A mágnesesség eredete az atommátrixban lévő szennyeződések mozgásával kapcsolatos, innen ered a név Kinetika Mágnesesség. Ez a mozgás rendkívül szokatlan, és még nagyon magas hőmérsékleten is erős mágnesességet eredményez. A mágnesesség adalékolással történő hangolásának lehetőségével – részecskék hozzáadásával vagy eltávolításával – a kinetikus mágnesesség nagyon ígéretes az eszközök valós anyagokban történő alkalmazásakor.

Bakr és csapata olyan részletességgel tanulmányozta a mágnesesség ezen új formáját, amelyet a korábbi kutatások nem értek el. Az ultrahideg atomrendszerek által biztosított vezérlésnek köszönhetően a kutatók először tudták megjeleníteni azt a pontos fizikát, amely a kinetikus mágnesességet eredményezi.

A Princeton Egyetem kutatói közvetlenül leképezték egy új típusú mágnesesség mikroszkopikus eredetét. Kép jóváírása: Max Pritchard, Waseem Bakr Collection a Princeton Egyetemen

Speciális eszközök a kvantumfelfedezésekhez

„A laborunkban lehetőségünk van egyenként megvizsgálni ezt a rendszert kukorica „A kutatók a hálózat egyetlen helyének szintjét figyelik, és pillanatfelvételeket készítenek a rendszer részecskéi közötti pontos kvantumkorrelációkról” – mondta Baker.

Bakr és kutatócsoportja több éven át tanulmányozta a kvantumállapotokat ultrahideg szubatomi részecskékkel, úgynevezett fermionokkal egy vákuumkamrában. Kifinomult eszközt hoztak létre, amely kriogén hőmérsékletre hűti az atomokat, és mesterséges kristályokban tartja őket, úgynevezett optikai rácsokban, amelyeket lézerek segítségével hoztak létre. Ez a rendszer lehetővé tette a kutatók számára, hogy feltárják a kvantumvilág számos érdekes aspektusát, beleértve a kölcsönhatásban lévő részecskék csoportjainak kialakuló viselkedését.

Elméleti alapok és kísérleti meglátások

Az egyik korai elméletileg javasolt mágnesesség-mechanizmus, amely lefektette a csapat jelenlegi kísérleteit, Nagaoka ferromágnesesség néven ismert, amelyet felfedezőjéről, Yosuke Nagaokáról neveztek el. A ferromágnesek azok, amelyekben az összes elektron spinállapota ugyanabba az irányba mutat.

Míg az összehangolt spinekkel rendelkező ferromágnes a leggyakoribb mágnestípus, a legegyszerűbb elméleti beállítás szerint a rácson lévő erősen kölcsönható elektronok valójában az antiferromágnesesség felé hajlanak, miközben a spinek váltakozó irányban sorakoznak fel. A szomszédos spinek egymáshoz igazodásának ez a preferenciája a szomszédos elektron spinek közvetett csatolásának eredményeként, szupercsereként ismert.

Nagaoka azonban elmélete szerint a ferromágnesesség egy teljesen más mechanizmusból is eredhet, amelyet a szándékosan hozzáadott szennyeződések mozgása vagy a dopping határoz meg. Ezt úgy érthetjük meg legjobban, ha elképzelünk egy kétdimenziós négyzetrácsot, ahol egy kivételével minden rácshelyet elfoglal egy elektron. Egy üres hely (vagy hasonló lyuk) vándorol a hálózaton.

Nagaoka megállapította, hogy ha a lyuk párhuzamos forgásokkal vagy ferromágnesekkel rendelkező környezetben mozog, a kvantumlyuk mozgásának különböző útvonalai mechanikusan interferálnak egymással. Ez fokozza a kvantumlyuk telephelyen kívüli terjedését és csökkenti a kinetikus energiát, ami pozitív eredmény.

A Nagaoka öröksége és a modern kvantummechanika

Nagaoka elmélete hamar elismerést nyert, mivel kevés olyan szigorú bizonyíték volt, amely megmagyarázná az erősen kölcsönható elektronok rendszereinek alapvető állapotait. De a következmények kísérletekkel történő nyomon követése nehéz kihívás volt a modell szigorú követelményei miatt. Elméletileg a reakcióknak végtelenül erősnek kell lenniük, és csak egy adalékanyag megengedett. Nagaoka elméletének előterjesztése után öt évtized alatt más kutatók rájöttek, hogy ezek az irreális feltételek jelentősen enyhíthetők háromszöggeometriájú hálózatokban.

Kvantumkísérlet és hatásai

A kísérlet elvégzéséhez a kutatók lítium-6 atomok gőzeit használták. Ez a lítium izotóp három elektronból, három protonból és három neutronból áll. „A páratlan összszám fermionos izotóppá teszi, ami azt jelenti, hogy az atomok a szilárdtestrendszerben az elektronokhoz hasonlóan viselkednek” – mondta Benjamin Spar, a Princetoni Egyetem fizikus szakos hallgatója és a tanulmány társszerzője.

Amikor ezeket a gázokat lézerrel extrém hőmérsékletekre, mindössze néhány milliárd fokra hűtik le Abszolút nullaViselkedésük kezd engedelmeskedni a kvantummechanika elveinek, nem pedig az ismertebb klasszikus mechanikának.

Kvantumállapotok feltárása hideg atom beállításokon keresztül

„Amint elértük ezt a kvantumrendszert, a következő lépés az atomok betöltése a háromszög alakú optikai rácsba” – mondja Spar „A hidegatomos elrendezésben szabályozhatjuk, hogy az atomok milyen gyorsan mozognak, vagy milyen erősen lépnek kapcsolatba egymással Egyéb.”

Sok erősen kölcsönható rendszerben a rácsban lévő részecskék „halálszigetelőben” szerveződnek, egy olyan halmazállapotban, amelyben egyetlen részecske foglalja el a rács minden helyét. Ebben az esetben gyenge ferromágneses kölcsönhatások vannak a szomszédos helyeken lévő elektronok spinjei közötti felesleges csere miatt. De a kutatók a haldokló szigetelő használata helyett a „grafting” nevű technikát alkalmazták, amely vagy eltávolít néhány molekulát, így „lyukakat” hagy a hálóban, vagy további molekulákat ad hozzá.

A kvantummágnesesség új formáinak feltárása

„Kísérletünk során nem kezdünk egy vetőmaggal helyenként” – mondta Baker. „Ehelyett lyukakkal vagy molekulákkal borítjuk be a rácsot. És amikor ezt megteszi, azt tapasztalja, hogy a mágnesességnek sokkal erősebb formája figyelhető meg ezekben a rendszerekben, magasabb energiaskálán, mint a szokásos szupercsere-mágnesesség. Ez az energiaskála a rácsban ugráló atomokhoz.”

Az optikai hálózatok rácshelyei közötti nagyobb távolságok kihasználásával a valódi anyagokhoz képest a kutatók optikai mikroszkóppal tudták látni, mi történik az egyhelyszínen. Azt találták, hogy a mágnesesség ezen új formájáért felelős objektumok egy új típusú mágneses pólus.

A polaronok szerepe a kvantumrendszerekben

„A polaron egy kvázi részecske, amely egy kvantumrendszerben jelenik meg, sok kölcsönhatásban lévő komponenssel” – mondta Baker. „Nagyon úgy viselkedik, mint egy szabályos részecske, vagyis olyan tulajdonságai vannak, mint a töltés, a spin és az effektív tömeg, de ez nem egy tényleges részecske, mint az atom. Ebben az esetben ez egy adalékanyag, amely zavarással mozog a mágneses környezetében , vagy hogyan helyezkednek el a pörgetések egymáshoz képest.”

Valós anyagokban a mágnesességnek ezt az új formáját korábban az úgynevezett moaré anyagokban is megfigyelték, amelyek egymásra rakott 2D kristályokból állnak, és ez csak az elmúlt évben történt meg.

Vizsgálja meg mélyebben a kvantummágnesességet

„Az ezekhez az anyagokhoz rendelkezésre álló mágneses szondák korlátozottak. A moaré anyagokkal végzett kísérletek azt a makroszkopikus hatást mérték, amely egy nagy anyagra reagál a mágneses tér hatására” – mondta Spar elmélyüljön a fizikában A mágnesességért felelős mikrostruktúrák. Részletes képeket készítettünk, amelyek felfedik a mobil dopping körüli spin-korrelációkat. Például egy lyukkal teli burkolat mozgás közben az elrendezést gátló forgással veszi körül magát, míg egy továbbfejlesztett részecske ennek az ellenkezőjét teszi, és koherens forgással veszi körül magát.

Ennek a kutatásnak messzemenő hatásai vannak a kondenzált anyag fizikájára, még a mágnesesség fizikájának megértésen túl is. Például azt feltételezték, hogy ezeknek a polaronoknak a bonyolultabb változatai lyukadalékos csatolási mechanizmusokat eredményeznek, amelyek magas hőmérsékleten szupravezetéshez vezethetnek.

A kvantummágnesesség kutatásának jövőbeli irányai

„A kutatás legizgalmasabb része az, hogy valóban egybeesik a kondenzált anyagok közösségében végzett tanulmányokkal” – mondta Max Pritchard végzős hallgató és a cikk társszerzője. „Egyedülálló helyzetben vagyunk ahhoz, hogy időben betekintést nyújtsunk egy problémába teljesen más szemszögből, és minden fél profitál belőle.”

A jövőt tekintve a kutatók már új és innovatív módszereket dolgoznak ki a mágnesesség e furcsa új formájának további feltárására – és a spin polaritás részletesebb vizsgálatára.

A Polaron kutatás következő lépései

„Ebben az első kísérletben egyszerűen pillanatfelvételeket készítettünk a polaronról, ami csak az első lépés” – mondta Pritchard. „De most a polaronok spektroszkópiai mérése érdekel bennünket. Szeretnénk látni, mennyi ideig élnek a polaronok a kölcsönhatásba lépő rendszerben, meg akarjuk mérni az elektródák komponenseinek megkötő energiáját és azok effektív tömegét, miközben a rácsban terjednek. csinálni.”

A csapat többi tagja Zoe Yan, aki most bekerült Chicagói Egyetemés teoretikusok, Ivan Moreira, Barcelonai Egyetem, Spanyolország, és Eugene Demmler, Elméleti Fizikai Intézet, Zürich, Svájc. A kísérleti munkát a National Science Foundation, a Army Research Office és a David and Lucile Packard Alapítvány támogatta.

Hivatkozás: Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan és Wasim S. „Csörgőpólusok közvetlen leképezése kinetikailag frusztrált Hubbard-rendszerben”. Bakr, 2024. május 8. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6