Découvertes glaçantes : Des physiciens de Princeton dévoilent les secrets du magnétisme cinétique

Des chercheurs de l'Université de Princeton ont fait une percée dans la compréhension du magnétisme cinétique en utilisant des atomes ultra-froids dans un réseau construit au laser pour imager un nouveau type de polariton, révélant comment le mouvement d'impuretés dans un réseau atomique provoque un magnétisme robuste à des températures élevées. Crédit : SciTechDaily.com

L'équipe de recherche a directement imagé l'objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polariton.

Tous les aimants ne sont pas les mêmes. Lorsque nous pensons au magnétisme, nous pensons souvent aux aimants qui adhèrent à la porte d'un réfrigérateur. Pour ces types d'aimants, les interactions électroniques qui donnent naissance au magnétisme sont comprises depuis environ un siècle, depuis les premiers jours de la mécanique quantique. Mais il existe de nombreuses formes de magnétisme dans la nature, et les scientifiques découvrent encore les mécanismes qui les entraînent.

Maintenant, les physiciens de l'Université de Princeton ont fait une avancée majeure dans la compréhension d'une forme de magnétisme connue sous le nom de magnétisme cinétique, en utilisant des atomes ultra-froids liés dans un réseau artificiel construit au laser. Leurs expériences, relatées dans un article publié cette semaine dans la revue Nature, ont permis aux chercheurs d'imager directement l'objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polariton, ou quasiparticule qui émerge dans un système quantique en interaction.

"C'est très excitant," a déclaré Waseem Bakr, professeur de physique à Princeton et l'auteur principal de cet article. "Les origines du magnétisme ont à voir avec le mouvement des impuretés dans le réseau atomique, d'où le nom de magnétisme cinétique. Ce mouvement est très inhabituel et conduit à un magnétisme qui est robuste même à des températures très élevées. Combiné avec la possibilité de régler le magnétisme avec le dopage - l'ajout ou la suppression de particules - le magnétisme cinétique est très prometteur pour des applications de dispositifs dans des matériaux réels."

Bakr et son équipe ont étudié cette nouvelle forme de magnétisme à un niveau de détail non réalisé dans les recherches précédentes. Avec le contrôle offert par les systèmes atomiques ultra-froids, les chercheurs ont pu visualiser, pour la première fois, la physique finement détaillée qui donne naissance au magnétisme cinétique.

Des chercheurs à Princeton ont directement imagé les origines microscopiques d'un nouveau type de magnétisme. Crédit : Max Prichard, groupe Waseem Bakr à l'Université de Princeton

"Nous avons la capacité dans notre laboratoire de regarder ce système au niveau de l'atome et du site uniques dans le réseau et de prendre des "instantanés" des subtiles corrélations quantiques entre les particules dans le système", a déclaré Bakr.

Depuis plusieurs années, Bakr et son équipe de recherche ont étudié les états quantiques en expérimentant avec des particules subatomiques ultra-froides connues sous le nom de fermions dans une chambre à vide. Ils ont mis au point un appareil sophistiqué qui refroidit les atomes à des températures ultra-froides et les charge dans des cristaux artificiels connus sous le nom de réseaux optiques créés à l'aide de faisceaux laser. Ce système a permis aux chercheurs d'explorer de nombreux aspects intéressants du monde quantique impliquant le comportement émergent des ensembles de particules en interaction.

Un mécanisme théoriquement proposé dès le départ pour le magnétisme, qui a jeté les bases des expériences actuelles de l'équipe, est connu sous le nom de ferromagnétisme de Nagaoka, du nom de son découvreur Yosuke Nagaoka. Les ferromagnets sont ceux dans lesquels les états de spin des électrons pointent tous dans la même direction.

Alors qu'un ferromagnétisme avec des spins alignés est le type d'aimant le plus connu, dans le cadre théorique le plus simple, des électrons fortement interagissant sur un réseau tendent en fait vers l'antiferromagnétisme, où les spins s'alignent dans des directions alternées. Cette préférence pour l'anti-alignement des spins voisins se produit à la suite d'un couplage indirect des spins électroniques voisins connu sous le nom de superéchange.

Cependant, Nagaoka a théorisé que le ferromagnétisme pourrait également résulter d'un mécanisme totalement différent, déterminé par le mouvement d'impuretés ajoutées intentionnellement, ou des dopants. On peut le comprendre au mieux en imaginant un réseau carré bidimensionnel dans lequel chaque site de réseau, à une exception près, est occupé par un électron. Le site inoccupé (ou dopant de trou) se promène dans le réseau.

Nagaoka a découvert que si le trou se déplace dans un environnement de spins alignés ou un ferromagnétisme, les différentes trajectoires pour le mouvement du trou interfèrent quantiquement les unes avec les autres. Cela renforce la dispersion de la position quantique du trou et réduit l'énergie cinétique, un résultat favorable.

Le théorème de Nagaoka a rapidement été reconnu car il existe peu de preuves rigoureuses cherchant à expliquer les états fondamentaux des systèmes d'électrons fortement interactifs. Mais observer les conséquences à travers des expériences a posé un défi difficile en raison des exigences strictes du modèle. Dans le théorème, les interactions devaient être infiniment fortes et seul un dopant unique était autorisé. Plus de cinq décennies après que Nagaoka a proposé sa théorie, d'autres chercheurs ont réalisé que ces conditions irréalistes pourraient être considérablement assouplies dans des treillis à géométrie triangulaire.

Pour mener l'expérience, les chercheurs ont utilisé des vapeurs d'atomes de lithium-6. Cet isotope du lithium contient trois électrons, trois protons et trois neutrons. “Le nombre total impair fait de cet isotope un isotope fermionique, ce qui signifie que les atomes se comportent de manière similaire aux électrons dans un système à l'état solide”, a déclaré Benjamin Spar, étudiant en doctorat en physique à l'Université de Princeton et coauteur principal de l'article.

Lorsque ces gaz sont refroidis à l'aide de faisceaux laser à des températures extrêmes à seulement quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, leur comportement commence à être régi par les principes de la mécanique quantique plutôt que par la mécanique classique plus familière.

“Une fois que nous avons obtenu ce système quantique, la prochaine chose que nous faisons est de charger les atomes dans le réseau optique triangulaire. Dans la configuration à froid des atomes, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle les atomes se déplacent ou la force de leur interaction les uns avec les autres”, a déclaré Spar.

Dans de nombreux systèmes fortement interactifs, les particules d'un réseau sont organisées en un "isolant de Mott", qui est un état de la matière dans lequel une seule particule occupe chaque site du réseau. Dans cet état, il existe de faibles interactions antiferromagnétiques dues à la super-exchange entre les spins des électrons sur les sites voisins. Mais au lieu d'utiliser un isolant de Mott, les chercheurs ont utilisé une technique appelée "dopage", qui supprime certaines particules, laissant ainsi des "trous" dans le réseau, ou ajoute des particules supplémentaires.

“Nous ne commençons pas avec un atome par site dans notre expérience”, a déclaré Bakr. “Au lieu de cela, nous dopons le réseau avec des trous ou des particules. Et lorsque vous faites cela, vous constatez qu'il existe une forme de magnétisme beaucoup plus robuste qui est observée dans ces systèmes à l'échelle d'énergie supérieure que le magnétisme super-exchange habituel. Cette échelle d'énergie a à voir avec le saut des atomes dans le réseau.”

En tirant parti des espacements de site de réseau beaucoup plus grands dans les réseaux optiques par rapport aux matériaux réels, les chercheurs ont pu voir ce qui se passait au niveau des sites individuels avec un microscope optique. Ils ont découvert que les objets responsables de cette nouvelle forme de magnétisme sont un nouveau type de polaron magnétique.

“Un polaron est une quasi-particule qui émerge dans un système quantique avec de nombreux constituants interactifs”, a déclaré Bakr. “Il se comporte beaucoup comme une particule ordinaire, en ce sens qu'il a des propriétés comme une charge, un spin et une masse effective, mais ce n'est pas une particule réelle comme un atome. Dans ce cas, c'est un dopant qui se déplace avec une perturbation de son environnement magnétique, ou comment les spins autour de lui sont alignés les uns par rapport aux autres.”

Dans les matériaux réels, cette nouvelle forme de magnétisme a déjà été observée dans des matériaux dits de moiré consistant en des cristaux bidimensionnels empilés, et cela ne s'est produit que l'année dernière.

“Les sondes de magnétisme disponibles pour ces matériaux sont limitées. Les expériences avec des matériaux de moiré ont mesuré des effets macroscopiques, associés à la façon dont un grand morceau de matériau réagit lorsqu'un champ magnétique est appliqué”, a déclaré Spar. “Avec la configuration à froid des atomes, nous pouvons creuser profondément dans la physique microscopique responsable du magnétisme. Nous avons pris des images détaillées révélant les corrélations de spin autour des dopants mobiles. Par exemple, nous constatons qu'un dopant trou entoure de spins anti-alignés lorsqu'il se déplace, tandis qu'un dopant particule fait l'inverse, en s'entourant de spins alignés.”

Cette recherche a des implications de grande portée en physique de la matière condensée, même au-delà de la compréhension de la physique du magnétisme. Par exemple, des versions plus complexes de ces polarons ont été supposées conduire à des mécanismes pour que les dopants de trous s'associent, ce qui pourrait entraîner une supraconductivité à haute température.

“La partie la plus excitante de cette recherche est qu'elle est véritablement en parallèle avec des études dans la communauté de la matière condensée”, a déclaré Max Prichard, étudiant en doctorat et co-auteur principal de l'article. “Nous sommes dans la position unique de fournir des éclairages sur un problème opportun sous un angle totalement différent, et toutes les parties en bénéficient.”

En regardant vers l'avenir, les chercheurs élaborent déjà de nouvelles et innovantes façons de sonder encore plus cette nouvelle forme exotique de magnétisme - et d'étudier le polaron de spin en plus de détails.

“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.