Natuurkundigen van Princeton ontsluiten geheimen van kinetisch magnetisme

Natuurkundigen uit Princeton Universiteit Ze brachten rechtstreeks het microscopische object in beeld dat verantwoordelijk is voor dit magnetisme, een ongewoon type polaron.

Niet alle magneten zijn hetzelfde. Als we aan magnetisme denken, denken we meestal aan magneten die aan de koelkastdeur blijven plakken. Voor dit soort magneten zijn de elektronische interacties die aanleiding geven tot magnetisme al ongeveer een eeuw bekend, sinds de begindagen van de kwantummechanica. Maar er zijn veel verschillende vormen van magnetisme in de natuur, en wetenschappers ontdekken nog steeds de mechanismen die deze vormen.

Nu hebben natuurkundigen van de Princeton University aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het begrijpen van een vorm van magnetisme dat bekend staat als kinetisch magnetisme, waarbij gebruik wordt gemaakt van ultrakoude atomen die zijn gekoppeld aan een kunstmatig rooster gemaakt met een laser. Hun ervaringen zijn vastgelegd in een onderzoeksartikel dat deze week in het tijdschrift wordt gepubliceerd natuurHierdoor konden de onderzoekers rechtstreeks het microscopische object in beeld brengen dat verantwoordelijk is voor dit magnetisme, een ongebruikelijk type polaron, of quasideeltje, dat verschijnt in een interacterend kwantumsysteem.

Kinetisch magnetisme begrijpen

“Dit is heel spannend”, zegt Waseem Bakr, hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University en hoofdauteur van het onderzoek. “De oorsprong van magnetisme heeft te maken met de beweging van onzuiverheden in de atomaire matrix, vandaar de naam Kinetiek Magnetisme. Deze beweging is hoogst ongebruikelijk en resulteert in een sterk magnetisme, zelfs bij zeer hoge temperaturen. Gecombineerd met de mogelijkheid om magnetisme af te stemmen met doping – het toevoegen of verwijderen van deeltjes – is kinetisch magnetisme veelbelovend voor apparaattoepassingen in echte materialen.

Bakr en zijn team bestudeerden deze nieuwe vorm van magnetisme op een detailniveau dat in eerder onderzoek niet werd bereikt. Dankzij de controle van ultrakoude atomaire systemen konden onderzoekers voor het eerst de precieze fysica visualiseren die aanleiding geeft tot kinetisch magnetisme.

Onderzoekers van de Universiteit van Princeton hebben de microscopische oorsprong van een nieuw type magnetisme rechtstreeks in beeld gebracht. Afbeelding tegoed: Max Pritchard, Waseem Bakr-collectie aan de Princeton University

Geavanceerde tools voor kwantumontdekkingen

“We hebben in ons laboratorium de mogelijkheid om dit systeem individueel te bekijken maïs “De onderzoekers monitoren het niveau van een enkele locatie in het netwerk en maken momentopnamen van de precieze kwantumcorrelaties tussen deeltjes in het systeem”, aldus Baker.

Bakr en zijn onderzoeksteam bestuderen al jaren kwantumtoestanden door te experimenteren met ultrakoude subatomaire deeltjes, bekend als fermionen, in een vacuümkamer. Ze hebben een geavanceerd apparaat gemaakt dat atomen afkoelt tot cryogene temperaturen en ze vasthoudt in kunstmatige kristallen, ook wel optische roosters genoemd, gemaakt met behulp van laserstralen. Dit systeem heeft onderzoekers in staat gesteld veel interessante aspecten van de kwantumwereld te onderzoeken, waaronder het opkomende gedrag van groepen op elkaar inwerkende deeltjes.

Theoretische grondslagen en experimentele inzichten

Een van de vroege theoretisch voorgestelde mechanismen voor magnetisme die de basis legden voor de huidige experimenten van het team staat bekend als Nagaoka-ferromagnetisme, genoemd naar de ontdekker Yosuke Nagaoka. Ferromagneten zijn magneten waarin alle elektronenspintoestanden in dezelfde richting wijzen.

Hoewel een ferromagneet met uitgelijnde spins het meest voorkomende type magneet is, neigen sterk op elkaar inwerkende elektronen op het rooster in de eenvoudigste theoretische omgeving feitelijk naar antiferromagnetisme, waarbij de spins in afwisselende richtingen op één lijn liggen. Deze voorkeur om weerstand te bieden aan de uitlijning van aangrenzende spins vindt plaats als gevolg van indirecte koppeling van aangrenzende elektronenspins, bekend als superuitwisseling.

Nagaoka theoretiseerde echter dat ferromagnetisme ook het gevolg zou kunnen zijn van een heel ander mechanisme, een mechanisme dat wordt bepaald door de beweging van opzettelijk toegevoegde onzuiverheden, oftewel doping. Dit kan het beste worden begrepen door een tweedimensionaal vierkant rooster voor te stellen, waarbij elke roosterplaats wordt ingenomen door een elektron, op één na. Een onbezette locatie (of een soortgelijk gat) dwaalt door het netwerk.

Nagaoka ontdekte dat als het gat beweegt in een omgeving met parallelle spins of ferromagneten, de verschillende paden van de beweging van het kwantumgat elkaar mechanisch verstoren. Dit verbetert de voortplanting buiten de locatie van het kwantumgat en vermindert de kinetische energie, wat een positief resultaat is.

De erfenis van Nagaoka en de moderne kwantummechanica

Nagaoka’s theorie kreeg snel erkenning omdat er weinig rigoureuze bewijzen waren die beweerden de fundamentele toestanden van systemen van sterk op elkaar inwerkende elektronen te verklaren. Maar het monitoren van de gevolgen door middel van experimenten was een moeilijke uitdaging vanwege de strenge eisen van het model. In theorie zouden de reacties oneindig sterk moeten zijn en is er slechts één doteringsmiddel toegestaan. In de vijftig jaar nadat Nagaoka zijn theorie had voorgesteld, realiseerden andere onderzoekers zich dat deze onrealistische omstandigheden aanzienlijk konden worden verzacht in netwerken met driehoekige geometrie.

Kwantumexperiment en de effecten ervan

Om het experiment uit te voeren, gebruikten de onderzoekers dampen van lithium-6-atomen. Deze lithiumisotoop heeft drie elektronen, drie protonen en drie neutronen. “Het oneven totaalaantal maakt dit tot een fermionische isotoop, wat betekent dat de atomen zich op dezelfde manier gedragen als elektronen in een vastestofsysteem”, zegt Benjamin Spar, een afgestudeerde student natuurkunde aan de Princeton University en co-auteur van het onderzoek.

Wanneer deze gassen met behulp van lasers worden afgekoeld tot extreme temperaturen van slechts een paar miljardsten van een graad Absolute nulpuntHun gedrag begint de principes van de kwantummechanica te gehoorzamen in plaats van de meer bekende klassieke mechanica.

Onderzoek naar kwantumtoestanden door middel van koude atoominstellingen

‘Zodra we dit kwantumsysteem hebben bereikt, is het volgende dat we doen de atomen in het driehoekige optische rooster laden’, zegt Spar. ‘In een opstelling met koude atomen kunnen we bepalen hoe snel de atomen bewegen of hoe sterk ze met elk atomen interageren ander.”

In veel sterk op elkaar inwerkende systemen zijn de deeltjes in het rooster georganiseerd in een ‘doodisolator’, een toestand van materie waarin een enkel deeltje elke plaats van het rooster bezet. In dit geval zijn er zwakke ferromagnetische interacties als gevolg van overbodige uitwisseling tussen de spins van elektronen op aangrenzende locaties. Maar in plaats van een stervende buffer te gebruiken, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd ‘enten’, waarbij ofwel enkele moleculen worden verwijderd, waardoor er ‘gaten’ in het gaas achterblijven, of extra moleculen worden toegevoegd.

Het ontdekken van nieuwe vormen van kwantummagnetisme

“We beginnen in ons experiment niet met één zaadje per locatie”, zei Baker. ‘In plaats daarvan bedekken we het rooster met gaten of moleculen. En als je dat doet, ontdek je dat er in deze systemen een veel sterkere vorm van magnetisme wordt waargenomen op een hogere energieschaal dan het gebruikelijke superuitwisselingsmagnetisme. Deze energieschaal heeft te maken met atomen die in het rooster springen.”

Door gebruik te maken van de grotere afstanden tussen roosterlocaties in optische netwerken in vergelijking met echte materialen, konden de onderzoekers met behulp van optische microscopie zien wat er op het niveau van één locatie gebeurde. Ze ontdekten dat de objecten die verantwoordelijk zijn voor deze nieuwe vorm van magnetisme een nieuw type magnetische pool zijn.

De rol van polaronen in kwantumsystemen

“Een polaron is een quasideeltje dat voorkomt in een kwantumsysteem met veel op elkaar inwerkende componenten”, aldus Baker. “Het gedraagt ​​zich heel erg als een gewoon deeltje, wat betekent dat het eigenschappen heeft zoals lading, spin en effectieve massa, maar het is geen echt deeltje zoals een atoom. In dit geval is het een dopingmateriaal dat beweegt met een verstoring in zijn magnetische omgeving , of hoe de spins eromheen zijn uitgelijnd ten opzichte van elkaar.

In echte materialen is deze nieuwe vorm van magnetisme eerder waargenomen in zogenaamde moiré-materialen die bestaan ​​uit gestapelde 2D-kristallen, en dit gebeurde pas het afgelopen jaar.

Onderzoek dieper in het kwantummagnetisme

“De beschikbare magnetismesondes voor deze materialen zijn beperkt. Experimenten met moiré-materialen hebben de macroscopische effecten gemeten die verband houden met hoe een groot stuk materiaal reageert wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd,” zei Spar. “Met de opstelling met koude atomen kunnen we dat doen duik dieper in de fysica Microstructuren die verantwoordelijk zijn voor magnetisme. We hebben gedetailleerde beelden vastgelegd die de spincorrelaties rond mobiele doping onthullen. Een met gaten gevulde surround omringt zichzelf bijvoorbeeld met anti-uitlijningsspin terwijl het beweegt, terwijl een verbeterd deeltje het tegenovergestelde doet en zichzelf omringt met coherente spin.

Dit onderzoek heeft verreikende implicaties voor de fysica van de gecondenseerde materie, zelfs buiten het begrijpen van de fysica van magnetisme. Er wordt bijvoorbeeld verondersteld dat complexere versies van deze polaronen aanleiding geven tot gat-doping-koppelingsmechanismen, die zouden kunnen leiden tot supergeleiding bij hoge temperaturen.

Toekomstige richtingen in onderzoek naar kwantummagnetisme

“Het meest opwindende aan dit onderzoek is dat het echt samenvalt met studies in de gemeenschap van gecondenseerde materie”, zegt Max Pritchard, een afgestudeerde student en co-auteur van het artikel. “Wij zijn uniek gepositioneerd om tijdig inzicht te geven in een probleem vanuit een heel andere invalshoek, en daar profiteren alle partijen van.”

Kijkend naar de toekomst komen onderzoekers al met nieuwe en innovatieve manieren om deze vreemde nieuwe vorm van magnetisme verder te onderzoeken – en de spinpolariteit in meer detail te onderzoeken.

Volgende stappen in Polaron-onderzoek

“In dit eerste experiment hebben we eenvoudigweg momentopnamen gemaakt van de polaron, wat nog maar de eerste stap is”, zei Pritchard. “Maar nu zijn we geïnteresseerd in het uitvoeren van een spectroscopische meting van polaronen. We willen zien hoe lang de polaronen overleven in het interacterende systeem, om de energie te meten die de polaroncomponenten bindt en hun effectieve massa terwijl ze zich voortplanten in het rooster. Er is veel meer te doen.”

Andere leden van het team zijn Zoe Yan, die nu lid is Universiteit van Chicagoen theoretici Ivan Moreira, Universiteit van Barcelona, ​​Spanje, en Eugene Demmler, Instituut voor Theoretische Fysica in Zürich, Zwitserland. Het experimentele werk werd ondersteund door de National Science Foundation, het Army Research Office en de David and Lucile Packard Foundation.

Referentie: “Directe beeldvorming van spinpolen in een kinetisch gefrustreerd Hubbard-systeem” door Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan en Wasim S. Bakr, 8 mei 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6