Erschreckende Entdeckungen: Physiker aus Princeton entschlüsseln Geheimnisse des kinetischen Magnetismus

Forscher der Princeton Universität haben einen Durchbruch im Verständnis von kinetischem Magnetismus erzielt, indem sie ultrakalte Atome in einem lasererzeugten Gitter verwendeten, um einen neuen Typ von Polaron abzubilden, der zeigt, wie die Bewegung von Unreinheiten in einem Atomgitter robusten Magnetismus bei hohen Temperaturen bewirkt. Bildnachweis: SciTechDaily.com

Das Forschungsteam hat das mikroskopische Objekt, das für diesen Magnetismus verantwortlich ist, einen ungewöhnlichen Typ von Polaron, direkt abgebildet.

Nicht alle Magnete sind gleich. Wenn wir an Magnetismus denken, denken wir oft an Magnete, die an der Tür eines Kühlschranks haften. Für diese Arten von Magneten sind die elektronischen Wechselwirkungen, die den Magnetismus erzeugen, seit etwa einem Jahrhundert, seit den Anfängen der Quantenmechanik, bekannt. Aber es gibt viele verschiedene Formen von Magnetismus in der Natur, und Wissenschaftler entdecken immer noch die Mechanismen, die sie antreiben.

Nun haben Physiker der Princeton Universität einen großen Fortschritt im Verständnis einer Form von Magnetismus namens kinetischer Magnetismus gemacht, indem sie ultrakalte Atome in einem künstlichen, lasererzeugten Gitter verwendeten. Ihre Experimente, die diese Woche in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, ermöglichten es den Forschern, das mikroskopische Objekt, das für diesen Magnetismus verantwortlich ist, einen ungewöhnlichen Typ von Polaron oder Quasiteilchen, das in einem wechselwirkenden Quantensystem auftritt, direkt abzubilden.

„Das ist sehr aufregend“, sagte Waseem Bakr, Professor für Physik an der Princeton Universität und Seniorautor der Arbeit. „Die Ursprünge des Magnetismus hängen mit der Bewegung von Unreinheiten in dem Atomgitter zusammen, daher der Name kinetischer Magnetismus. Diese Bewegung ist hochgradig ungewöhnlich und führt zu einem Magnetismus, der selbst bei sehr hohen Temperaturen stabil ist. Kombiniert mit der Abstimmbarkeit des Magnetismus durch Dotierung - das Hinzufügen oder Entfernen von Teilchen - ist der kinetische Magnetismus sehr vielversprechend für Anwendungen in realen Materialien.“

Bakr und sein Team untersuchten diese neuartige Form von Magnetismus auf einer Detailgenauigkeit, die in vorherigen Forschungen nicht erreicht wurde. Mit der Kontrolle, die ultrakalte atomare Systeme bieten, konnten die Forscher zum ersten Mal die feinkörnige Physik visualisieren, die den kinetischen Magnetismus erzeugt.

Forscher in Princeton haben die mikroskopischen Ursprünge eines neuartigen Typs von Magnetismus direkt abgebildet. Bildnachweis: Max Prichard, Waseem Bakr Gruppe an der Princeton Universität

„Wir haben die Möglichkeit in unserem Labor, dieses System auf der Ebene einzelner Atome und einzelner Stellen im Gitter zu untersuchen und ‚Momentaufnahmen‘ der subtilen Quantenkorrelationen zwischen den Teilchen im System zu machen“, sagte Bakr.

Seit mehreren Jahren untersucht Bakr und sein Forschungsteam Quantenzustände, indem sie mit ultrakalten subatomaren Teilchen, sogenannten Fermionen, in einer Vakuumkammer experimentieren. Sie haben eine ausgeklügelte Vorrichtung entwickelt, die Atome auf ultrakalte Temperaturen abkühlt und sie in künstliche Kristalle, sogenannte optische Gitter, die mit Laserstrahlen erzeugt werden, lädt. Dieses System hat es den Forschern ermöglicht, viele interessante Aspekte der Quantenwelt zu erkunden, die das emergente Verhalten von Ensembles wechselwirkender Teilchen betreffen.

Einer der ersten theoretisch vorgeschlagenen Mechanismen für Magnetismus, der die Grundlage für die aktuellen Experimente des Teams bildete, ist als Nagaoka-Ferromagnetismus bekannt, benannt nach seinem Entdecker Yosuke Nagaoka. Ferromagnete sind solche, bei denen alle Spinzustände der Elektronen in die gleiche Richtung zeigen.

Obwohl ein Ferromagnet mit ausgerichteten Spins die bekannteste Art von Magnet ist, tendieren in der einfachsten theoretischen Einstellung stark wechselwirkende Elektronen auf einem Gitter tatsächlich zum Antiferromagnetismus, bei dem sich die Spins in abwechselnden Richtungen ausrichten. Diese Präferenz für eine anti-parallel Ausrichtung benachbarter Spins tritt aufgrund einer indirekten Kopplung benachbarter Elektronenspins auf, die als "Superexchange" bekannt ist.

Nagaoka postulierte jedoch, dass Ferromagnetismus auch aus einem völlig anderen Mechanismus resultieren kann, einem der durch die Bewegung absichtlich hinzugefügter Unreinheiten oder Dotierungen bestimmt wird. Dies kann am besten verstanden werden, indem man sich ein zweidimensionales quadratisches Gitter vorstellt, in dem jede Gitterstelle, mit einer Ausnahme, von einem Elektron besetzt ist. Die nicht besetzte Stelle (oder Loch-Dotierung) wandert im Gitter umher.

Nagaoka stellte fest, dass wenn sich die Lochstelle in einer Umgebung von ausgerichteten Spins oder einem Ferromagnet bewegt, die verschiedenen Trajektorien für die Bewegung des Lochs quantenmechanisch miteinander interferieren. Dies verstärkt die Ausbreitung der quantenmechanischen Position der Lochstelle und reduziert die kinetische Energie, was ein günstiges Ergebnis ist.

Nagaokas Theorems erfuhr schnell Anerkennung, da es nur wenige strenge Beweise gibt, die sich mit den Grundzuständen von Systemen aus stark wechselwirkenden Elektronen befassen. Die Beobachtung der Konsequenzen durch Experimente stellte jedoch aufgrund der strengen Anforderungen des Modells eine schwierige Herausforderung dar. In dem Theorem mussten die Wechselwirkungen unendlich stark sein und nur ein einziges Dotat durfte zugelassen werden. Über fünf Jahrzehnte nachdem Nagaoka seine Theorie vorschlug, stellten andere Forscher fest, dass diese unrealistischen Bedingungen in Gittern mit einer dreieckigen Geometrie erheblich gelockert werden könnten.

Um das Experiment durchzuführen, verwendeten die Forscher Dämpfe von Lithium-6-Atomen. Dieses Isotop von Lithium enthält drei Elektronen, drei Protonen und drei Neutronen. „Die ungerade Gesamtzahl macht dieses Isotop zu einem fermionischen Isotop, was bedeutet, dass sich die Atome ähnlich wie Elektronen in einem Festkörpersystem verhalten“, sagte Benjamin Spar, ein Doktorand in Physik an der Princeton University und ein Co-Hauptautor des Papiers.

Wenn diese Gase durch Laserstrahlen auf extreme Temperaturen abgekühlt werden, die nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, beginnt ihr Verhalten, von den Prinzipien der Quantenmechanik anstatt von der vertrauteren klassischen Mechanik bestimmt zu werden.

„Sobald wir dieses Quantensystem erreicht haben, laden wir die Atome in das dreieckige optische Gitter. Bei der Kälteatomanordnung können wir steuern, wie schnell Atome sich bewegen oder wie stark sie miteinander wechselwirken“, sagte Spar.

In vielen Systemen mit starken Wechselwirkungen sind die Teilchen in einem Gitter in einem „Mott-Isolator“ organisiert, einem Zustand der Materie, in dem ein einzelnes Teilchen jede Stelle des Gitters besetzt. In diesem Zustand gibt es schwache antiferromagnetische Wechselwirkungen aufgrund von Superexchange zwischen dem Spin von Elektronen auf benachbarten Standorten. Anstatt einen Mott-Isolator zu verwenden, verwendeten die Forscher jedoch eine Technik, die als „Dotierung“ bezeichnet wird und entweder einige Teilchen entfernt und so „Löcher“ im Gitter hinterlässt, oder zusätzliche Teilchen hinzufügt.

„Wir beginnen in unserem Experiment nicht mit einem Atom pro Stelle“, sagte Bakr. „Stattdessen dotieren wir das Gitter mit Löchern oder Teilchen. Und wenn Sie das tun, stellen Sie fest, dass es eine viel robustere Form des Magnetismus gibt, die in diesen Systemen mit höherer Energieskala als der übliche Superexchange-Magnetismus beobachtet wird. Diese Energieskala hängt mit dem Hüpfen der Atome im Gitter zusammen.“

Durch Nutzung der viel größeren Gitterplatzabstände in optischen Gittern im Vergleich zu echten Materialien konnten die Forscher mit einem optischen Mikroskop sehen, was auf Einzelstellen-Ebene passierte. Sie stellten fest, dass die Objekte, die für diese neue Form des Magnetismus verantwortlich sind, eine neue Art von magnetischen Polarons sind.

„Ein Polaron ist ein Quasiteilchen, das in einem Quantensystem mit vielen wechselwirkenden Bestandteilen auftritt“, sagte Bakr. „Es verhält sich sehr ähnlich wie ein reguläres Teilchen, im Sinne, dass es Eigenschaften wie Ladung, Spin und effektive Masse hat, aber es ist kein tatsächliches Teilchen wie ein Atom. In diesem Fall handelt es sich um ein Dotat, das sich mit einer Störung seiner magnetischen Umgebung bewegt, oder wie die Spins um es herum relativ zueinander ausgerichtet sind.“

In echten Materialien wurde diese neue Form des Magnetismus zuvor in sogenannten moiréartigen Materialien beobachtet, die aus gestapelten zweidimensionalen Kristallen bestehen, und dies ist erst im letzten Jahr geschehen.

„Die Sonden des Magnetismus, die für diese Materialien verfügbar sind, sind begrenzt. Experimente mit moiréartigen Materialien haben makroskopische Effekte gemessen, die damit zusammenhängen, wie ein großes Stück Material reagiert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird“, sagte Spar. „Mit der Kälteatomanordnung können wir tief in die mikroskopische Physik eindringen, die für den Magnetismus verantwortlich ist. Wir haben detaillierte Bilder gemacht, die die Spin-Korrelationen um die mobilen Dotants herum zeigen. Beispielsweise stellen wir fest, dass ein Lochdotant sich mit gegenläufig ausgerichteten Spins umgibt, während es sich bewegt, während ein Teilchendotant das Gegenteil tut und sich mit ausgerichteten Spins umgibt.“

Diese Forschung hat weitreichende Auswirkungen auf die Kondensierte-Materie-Physik, sogar über das Verständnis der Physik des Magnetismus hinaus. Beispielsweise wurde postuliert, dass komplexere Versionen dieser Polarons dazu führen könnten, dass Mechanismen für Lochdotants entstehen, die paarweise auftreten, was zu Hochtemperatur-Supraleitung führen könnte.

„Der aufregendste Teil dieser Forschung besteht darin, dass sie tatsächlich gleichzeitig mit Studien in der Kondensierten-Materie-Gemeinschaft stattfindet“, sagte Max Prichard, ein Doktorand und Co-Hauptautor des Papiers. „Wir sind in der einzigartigen Position, Einblicke in ein aktuelles Problem aus einem völlig anderen Blickwinkel zu liefern, und alle Parteien profitieren davon.“

Blick nach vorn, sind die Forscher bereits dabei, neue und innovative Wege zu finden, um diese neue, exotische Form des Magnetismus weiter zu untersuchen – und das Spin-Polaron genauer zu erforschen.

“In this first experiment, we’ve simply taken snapshots of the polaron, which is only the first step,” said Prichard. “But we’re now interested in doing a spectroscopic measurement of the polarons. We want to see how long the polarons live in the interacting system, to measure the energy binding together a polaron’s constituents and its effective mass as it propagates in the lattice. There is a lot more to do.” 

Other members of the team are Zoe Yan, now at the University of Chicago, and theorists Ivan Morera, University of Barcelona, Spain, and Eugene Demler, Institute of Theoretical Physics in Zurich, Switzerland. The experimental work was supported by the National Science Foundation, the Army Research Office and the David and Lucile Packard Foundation.