Οι φυσικοί του Πρίνστον ξεκλειδώνουν τα μυστικά του κινητικού μαγνητισμού

Φυσικοί από πανεπιστήμιο Πρίνσετον Απεικονίστηκαν απευθείας το μικροσκοπικό αντικείμενο που ευθύνεται για αυτόν τον μαγνητισμό, έναν ασυνήθιστο τύπο polaron.

Δεν είναι όλοι οι μαγνήτες ίδιοι. Όταν σκεφτόμαστε τον μαγνητισμό, συνήθως σκεφτόμαστε μαγνήτες που κολλάνε στην πόρτα του ψυγείου. Για αυτούς τους τύπους μαγνητών, οι ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις που προκαλούν τον μαγνητισμό ήταν κατανοητές εδώ και περίπου έναν αιώνα, από τις πρώτες ημέρες της κβαντικής μηχανικής. Υπάρχουν όμως πολλές διαφορετικές μορφές μαγνητισμού στη φύση και οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν τους μηχανισμούς που τις οδηγούν.

Τώρα, φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κατανόηση μιας μορφής μαγνητισμού που είναι γνωστή ως κινητικός μαγνητισμός, χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα συνδεδεμένα με ένα τεχνητό πλέγμα κατασκευασμένο με λέιζερ. Οι εμπειρίες τους καταγράφονται σε μια ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό φύσηΕπέτρεψε στους ερευνητές να απεικονίσουν απευθείας το μικροσκοπικό αντικείμενο που ευθύνεται για αυτόν τον μαγνητισμό, έναν ασυνήθιστο τύπο polaron, ή οιονεί σωματίδιο, που εμφανίζεται σε ένα αλληλεπιδρώντα κβαντικό σύστημα.

Κατανόηση του κινητικού μαγνητισμού

«Αυτό είναι πολύ συναρπαστικό», δήλωσε ο Waseem Bakr, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Η προέλευση του μαγνητισμού έχει να κάνει με την κίνηση των ακαθαρσιών στην ατομική μήτρα, εξ ου και το όνομα Κινητική Μαγνητισμός. Αυτή η κίνηση είναι εξαιρετικά ασυνήθιστη και οδηγεί σε ισχυρό μαγνητισμό ακόμη και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Σε συνδυασμό με τη δυνατότητα συντονισμού του μαγνητισμού με ντόπινγκ – προσθήκη ή αφαίρεση σωματιδίων – ο κινητικός μαγνητισμός είναι πολλά υποσχόμενος για εφαρμογές συσκευών σε πραγματικά υλικά.

Ο Bakr και η ομάδα του μελέτησαν αυτή τη νέα μορφή μαγνητισμού σε ένα επίπεδο λεπτομέρειας που δεν είχε επιτευχθεί σε προηγούμενη έρευνα. Χάρη στον έλεγχο που παρέχεται από τα υπερψυχρά ατομικά συστήματα, οι ερευνητές μπόρεσαν, για πρώτη φορά, να οπτικοποιήσουν την ακριβή φυσική που προκαλεί τον κινητικό μαγνητισμό.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον απεικόνισαν άμεσα τη μικροσκοπική προέλευση ενός νέου τύπου μαγνητισμού. Πηγή εικόνας: Max Pritchard, συλλογή Waseem Bakr στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Προηγμένα εργαλεία για κβαντικές ανακαλύψεις

«Έχουμε τη δυνατότητα στο εργαστήριό μας να εξετάσουμε αυτό το σύστημα ξεχωριστά καλαμπόκι «Οι ερευνητές παρακολουθούν το επίπεδο μιας μεμονωμένης τοποθεσίας στο δίκτυο και τραβούν στιγμιότυπα των ακριβών κβαντικών συσχετισμών μεταξύ των σωματιδίων στο σύστημα», είπε ο Baker.

Για αρκετά χρόνια, ο Bakr και η ερευνητική του ομάδα έχουν μελετήσει τις κβαντικές καταστάσεις πειραματιζόμενοι με υπερψυχρά υποατομικά σωματίδια γνωστά ως φερμιόνια σε θάλαμο κενού. Έχουν δημιουργήσει μια εξελιγμένη συσκευή που ψύχει τα άτομα σε κρυογονικές θερμοκρασίες και τα συγκρατεί σε τεχνητούς κρυστάλλους γνωστούς ως οπτικά πλέγματα που δημιουργούνται με χρήση λέιζερ. Αυτό το σύστημα επέτρεψε στους ερευνητές να εξερευνήσουν πολλές ενδιαφέρουσες πτυχές του κβαντικού κόσμου, συμπεριλαμβανομένης της αναδυόμενης συμπεριφοράς ομάδων αλληλεπιδρώντων σωματιδίων.

Θεωρητικές βάσεις και πειραματικές γνώσεις

Ένας από τους πρώιμους θεωρητικά προτεινόμενους μηχανισμούς για τον μαγνητισμό που έθεσε τα θεμέλια για τα τρέχοντα πειράματα της ομάδας είναι γνωστός ως σιδηρομαγνητισμός Nagaoka, που πήρε το όνομά του από τον ανακάλυψε του Yosuke Nagaoka. Σιδηρομαγνήτες είναι εκείνοι στους οποίους όλες οι καταστάσεις σπιν ηλεκτρονίων δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση.

Ενώ ένας σιδηρομαγνήτης με ευθυγραμμισμένα σπιν είναι ο πιο κοινός τύπος μαγνήτη, στην απλούστερη θεωρητική ρύθμιση, τα έντονα αλληλεπιδρώντα ηλεκτρόνια στο πλέγμα τείνουν στην πραγματικότητα προς τον αντισιδηρομαγνητισμό, με τα σπιν να ευθυγραμμίζονται σε εναλλασσόμενες κατευθύνσεις. Αυτή η προτίμηση για αντίσταση στην ευθυγράμμιση των γειτονικών σπιν προκύπτει ως αποτέλεσμα της έμμεσης σύζευξης γειτονικών σπιν ηλεκτρονίων γνωστών ως υπερανταλλαγή.

Ωστόσο, ο Nagaoka θεώρησε ότι ο σιδηρομαγνητισμός μπορεί επίσης να προκύψει από έναν εντελώς διαφορετικό μηχανισμό, που καθορίζεται από την κίνηση σκόπιμα προστιθέμενων ακαθαρσιών ή το ντόπινγκ. Αυτό μπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητό αν φανταστεί κανείς ένα δισδιάστατο τετράγωνο πλέγμα, όπου κάθε θέση πλέγματος, εκτός από μία, καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο. Μια μη κατειλημμένη τοποθεσία (ή παρόμοια τρύπα) περιφέρεται στο δίκτυο.

Ο Nagaoka διαπίστωσε ότι εάν η τρύπα κινείται σε περιβάλλον με παράλληλες περιστροφές ή σιδηρομαγνήτες, οι διαφορετικές διαδρομές της κίνησης της κβαντικής τρύπας παρεμβάλλονται μηχανικά μεταξύ τους. Αυτό ενισχύει τη διάδοση της κβαντικής οπής εκτός τοποθεσίας και μειώνει την κινητική ενέργεια, κάτι που είναι θετικό αποτέλεσμα.

Η κληρονομιά Nagaoka και η σύγχρονη κβαντική μηχανική

Η θεωρία του Nagaoka κέρδισε γρήγορα αναγνώριση επειδή υπήρχαν λίγες αυστηρές αποδείξεις που ισχυρίζονταν ότι εξηγούσαν τις θεμελιώδεις καταστάσεις συστημάτων ισχυρά αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων. Όμως η παρακολούθηση των συνεπειών μέσω πειραμάτων ήταν μια δύσκολη πρόκληση λόγω των αυστηρών απαιτήσεων του μοντέλου. Θεωρητικά, οι αντιδράσεις θα πρέπει να είναι απείρως έντονες και επιτρέπεται μόνο μία πρόσμειξη. Κατά τη διάρκεια των πέντε δεκαετιών αφότου ο Nagaoka πρότεινε τη θεωρία του, άλλοι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι αυτές οι μη ρεαλιστικές συνθήκες θα μπορούσαν να μετριαστούν σημαντικά σε δίκτυα με τριγωνική γεωμετρία.

Κβαντικό πείραμα και τα αποτελέσματά του

Για τη διεξαγωγή του πειράματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ατμούς ατόμων λιθίου-6. Αυτό το ισότοπο λιθίου έχει τρία ηλεκτρόνια, τρία πρωτόνια και τρία νετρόνια. «Ο περιττός συνολικός αριθμός το κάνει αυτό ένα φερμιονικό ισότοπο, που σημαίνει ότι τα άτομα συμπεριφέρονται παρόμοια με τα ηλεκτρόνια σε ένα σύστημα στερεάς κατάστασης», δήλωσε ο Benjamin Spar, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον και συν-συγγραφέας της μελέτης.

Όταν αυτά τα αέρια ψύχονται με χρήση λέιζερ σε ακραίες θερμοκρασίες μόνο μερικών δισεκατομμυριοστών του βαθμού Απόλυτο μηδενικόΗ συμπεριφορά τους αρχίζει να υπακούει στις αρχές της κβαντικής μηχανικής παρά στην πιο οικεία κλασική μηχανική.

Εξερεύνηση κβαντικών καταστάσεων μέσω ρυθμίσεων ψυχρού ατόμου

«Μόλις επιτύχουμε αυτό το κβαντικό σύστημα, το επόμενο πράγμα που κάνουμε είναι να φορτώσουμε τα άτομα στο τριγωνικό οπτικό πλέγμα», λέει ο Spar «Στην εγκατάσταση ψυχρού ατόμου, μπορούμε να ελέγξουμε πόσο γρήγορα κινούνται τα άτομα ή πόσο έντονα αλληλεπιδρούν με το καθένα άλλα.”

Σε πολλά συστήματα υψηλής αλληλεπίδρασης, τα σωματίδια στο πλέγμα είναι οργανωμένα σε έναν «μονωτή θανάτου», μια κατάσταση της ύλης στην οποία ένα μόνο σωματίδιο καταλαμβάνει κάθε θέση του πλέγματος. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχουν ασθενείς σιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις λόγω της περιττής ανταλλαγής μεταξύ των σπιν των ηλεκτρονίων σε γειτονικές θέσεις. Αλλά αντί να χρησιμοποιήσουν ένα ρυθμιστικό διάλυμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται «εμβόλια», η οποία είτε αφαιρεί ορισμένα μόρια, αφήνοντας έτσι «τρύπες» στο πλέγμα ή προσθέτει επιπλέον μόρια.

Αποκάλυψη νέων μορφών κβαντικού μαγνητισμού

«Δεν ξεκινάμε με έναν σπόρο ανά τοποθεσία στο πείραμά μας», είπε ο Baker. “Αντίθετα, καλύπτουμε το πλέγμα με τρύπες ή μόρια. Και όταν το κάνετε αυτό, διαπιστώνετε ότι υπάρχει μια πολύ ισχυρότερη μορφή μαγνητισμού που παρατηρείται σε αυτά τα συστήματα σε υψηλότερη ενεργειακή κλίμακα από τον συνηθισμένο μαγνητισμό υπερανταλλαγής. Αυτή η ενεργειακή κλίμακα έχει έχει να κάνει με τα άτομα που πηδούν στο πλέγμα».

Εκμεταλλευόμενοι τις μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ των τοποθεσιών πλέγματος στα οπτικά δίκτυα σε σύγκριση με τα πραγματικά υλικά, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν τι συνέβαινε σε επίπεδο μιας τοποθεσίας χρησιμοποιώντας οπτικό μικροσκόπιο. Βρήκαν ότι τα αντικείμενα που ευθύνονται για αυτή τη νέα μορφή μαγνητισμού είναι ένας νέος τύπος μαγνητικού πόλου.

Ο ρόλος των πολαρονίων στα κβαντικά συστήματα

“Ένα polaron είναι ένα οιονεί σωματίδιο που εμφανίζεται σε ένα κβαντικό σύστημα με πολλά αλληλεπιδρώντα συστατικά”, είπε ο Baker. «Συμπεριφέρεται πολύ σαν ένα κανονικό σωματίδιο, που σημαίνει ότι έχει ιδιότητες όπως φορτίο, σπιν και αποτελεσματική μάζα, αλλά δεν είναι ένα πραγματικό σωματίδιο όπως ένα άτομο, σε αυτήν την περίπτωση, είναι ένα υλικό ντόπινγκ που κινείται με μια διαταραχή στο μαγνητικό του περιβάλλον , ή πώς οι περιστροφές είναι ευθυγραμμισμένες γύρω τους σε σχέση με το άλλο.

Στα πραγματικά υλικά, αυτή η νέα μορφή μαγνητισμού έχει παρατηρηθεί προηγουμένως στα λεγόμενα υλικά μουαρέ που αποτελούνται από στοιβαγμένους 2D κρυστάλλους, και αυτό συνέβη μόλις τον τελευταίο χρόνο.

Ερευνήστε βαθύτερα τον κβαντικό μαγνητισμό

«Οι διαθέσιμοι ανιχνευτές μαγνητισμού για αυτά τα υλικά είναι περιορισμένοι. Πειράματα με υλικά moiré έχουν μετρήσει τα μακροσκοπικά αποτελέσματα που σχετίζονται με το πώς ένα μεγάλο κομμάτι υλικού ανταποκρίνεται όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο», είπε ο Spar εμβαθύνει στη φυσική Μικροδομές που είναι υπεύθυνες για τον μαγνητισμό. Έχουμε τραβήξει λεπτομερείς εικόνες που αποκαλύπτουν τους συσχετισμούς περιστροφής γύρω από το ντόπινγκ για κινητά. Για παράδειγμα, ένα περιβάλλον γεμάτο τρύπες περιβάλλεται με αντι-ευθυγραμμισμένο σπιν καθώς κινείται, ενώ ένα ενισχυμένο σωματίδιο κάνει το αντίθετο, περιβάλλοντας τον εαυτό του με συνεκτική περιστροφή.

Αυτή η έρευνα έχει εκτεταμένες επιπτώσεις στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, ακόμη και πέρα ​​από την κατανόηση της φυσικής του μαγνητισμού. Για παράδειγμα, έχει υποτεθεί ότι πιο σύνθετες εκδόσεις αυτών των πολαρόνων δημιουργούν μηχανισμούς σύζευξης οπών ντόπινγκ, οι οποίοι θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Μελλοντικές κατευθύνσεις στην έρευνα του κβαντικού μαγνητισμού

«Το πιο συναρπαστικό μέρος αυτής της έρευνας είναι ότι πραγματικά συμπίπτει με μελέτες στην κοινότητα της συμπυκνωμένης ύλης», δήλωσε ο Max Pritchard, μεταπτυχιακός φοιτητής και συν-συγγραφέας της εργασίας. «Είμαστε μοναδικά τοποθετημένοι για να παρέχουμε έγκαιρη εικόνα ενός προβλήματος από μια εντελώς διαφορετική οπτική γωνία και όλα τα μέρη θα ωφεληθούν».

Κοιτάζοντας το μέλλον, οι ερευνητές έχουν ήδη βρει νέους και καινοτόμους τρόπους για να εξερευνήσουν περαιτέρω αυτήν την παράξενη νέα μορφή μαγνητισμού – και να διερευνήσουν την πολικότητα του σπιν με περισσότερες λεπτομέρειες.

Επόμενα βήματα στην έρευνα Polaron

«Σε αυτό το πρώτο πείραμα, τραβήξαμε απλώς στιγμιότυπα του polaron, που είναι μόνο το πρώτο βήμα», είπε ο Pritchard. “Αλλά τώρα μας ενδιαφέρει να πραγματοποιήσουμε μια φασματοσκοπική μέτρηση των πολαρονίων. Θέλουμε να δούμε πόσο καιρό επιβιώνουν τα πολαρόνια στο σύστημα αλληλεπίδρασης, να μετρήσουμε την ενέργεια που δεσμεύει τα συστατικά polaron και την αποτελεσματική μάζα τους καθώς διαδίδονται στο πλέγμα. Υπάρχουν πολλά περισσότερα να κάνουμε».

Άλλα μέλη της ομάδας είναι η Zoe Yan, τώρα Πανεπιστήμιο του Σικάγοκαι οι θεωρητικοί Ivan Moreira, Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης, Ισπανία, και Eugene Demmler, Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Ζυρίχη, Ελβετία. Η πειραματική εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Γραφείο Ερευνών Στρατού και το Ίδρυμα David and Lucile Packard.

Αναφορά: «Άμεση απεικόνιση των πόλων περιστροφής σε ένα κινητικά απογοητευμένο σύστημα Χάμπαρντ» από τους Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan και Wasim S. Bakr, 8 Μαΐου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6