Raffreddanti scoperte: i fisici di Princeton svelano i segreti del magnetismo cinetico

Ricercatori dell'Università di Princeton hanno compiuto un passo avanti nella comprensione del magnetismo cinetico utilizzando atomi ultrafreddi in un reticolo costruito con un laser per visualizzare un nuovo tipo di polaron, rivelando come il moto delle impurità in un array atomico provochi un robusto magnetismo ad alte temperature. Credit: SciTechDaily.com

Il team di ricerca ha direttamente visualizzato l'oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un insolito tipo di polaron.

Non tutti i magneti sono uguali. Quando pensiamo al magnetismo, pensiamo spesso ai magneti che aderiscono alla porta del frigorifero. Per questi tipi di magneti, le interazioni elettroniche che danno origine al magnetismo sono note da circa un secolo, fin dai primi giorni della meccanica quantistica. Ma esistono molte forme diverse di magnetismo in natura e gli scienziati stanno ancora scoprendo i meccanismi che li guidano.

Ora, i fisici dell'Università di Princeton hanno fatto un grande passo avanti nella comprensione di una forma di magnetismo conosciuta come magnetismo cinetico, utilizzando atomi ultrafreddi legati in un reticolo artificiale costruito con un laser. I loro esperimenti, descritti in un documento pubblicato questa settimana sulla rivista Nature, hanno permesso ai ricercatori di visualizzare direttamente l'oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un insolito tipo di polaron, o quasiparticella che emerge in un sistema quantistico interagente.

"Questo è molto eccitante", ha detto Waseem Bakr, professore di fisica a Princeton e autore senior del documento. "Le origini del magnetismo hanno a che fare con il movimento delle impurità nell'array atomico, da cui il nome magnetismo cinetico. Questo movimento è molto insolito e porta a un magnetismo che è robusto anche a temperature molto alte. Abbinato alla regolabilità del magnetismo con il doping, l'aggiunta o la rimozione di particelle, il magnetismo cinetico è molto promettente per le applicazioni dei dispositivi nei materiali reali".

Bakr e il suo team hanno studiato questa nuova forma di magnetismo con un livello di dettaglio mai raggiunto nelle ricerche precedenti. Grazie al controllo offerto dai sistemi atomici ultrafreddi, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare, per la prima volta, la fisica finemente intrecciata che produce il magnetismo cinetico.

“Abbiamo la capacità nel nostro laboratorio di osservare questo sistema a livello di singolo atomo e singolo sito nel reticolo e di scattare 'istantanee' delle sottili correlazioni quantistiche tra le particelle del sistema”, ha detto Bakr.

Per diversi anni, Bakr e il suo team di ricerca hanno studiato gli stati quantistici sperimentando con particelle subatomiche ultrafredde conosciute come fermioni in una camera a vuoto. Ha ideato un sofisticato apparato che raffredda gli atomi a temperature ultrafredde e li carica in cristalli artificiali noti come reticoli ottici creati con fasci laser. Questo sistema ha permesso ai ricercatori di esplorare molti aspetti interessanti del mondo quantistico che coinvolgono il comportamento emergente di insiemi di particelle che interagiscono.

Uno dei primi meccanismi teorizzati per il magnetismo che ha gettato le basi per gli attuali esperimenti del team è noto come ferromagnetismo di Nagaoka, dal nome del suo scopritore Yosuke Nagaoka. I ferromagneti sono quelli in cui gli stati di spin degli elettroni puntano tutti nella stessa direzione.

Sebbene un ferromagnete con spin allineati sia il tipo di magnete più comune, nel contesto teorico più semplice, gli elettroni fortemente interagenti su un reticolo tendono in realtà verso l'antiferromagnetismo, in cui gli spin si allineano in direzioni alternate. Questa preferenza per l'anti-allineamento degli spin dei vicini si verifica a causa di un accoppiamento indiretto degli spin degli elettroni vicini noto come superexchange.

Tuttavia, Nagaoka ha teorizzato che il ferromagnetismo può anche derivare da un meccanismo completamente diverso, uno determinato dal moto delle impurità aggiunte intenzionalmente, o dopanti. Questo può essere meglio compreso immaginando un reticolo quadrato bidimensionale in cui ogni sito del reticolo, con una eccezione, è occupato da un elettrone. Il sito non occupato (o dopante di tipo foro) vaga nel reticolo.

Nagaoka ha scoperto che se il foro si muove in un ambiente di spin allineati o un ferromagnete, le diverse traiettorie per il moto del foro interferiscono tra loro a livello quantistico. Questo aumenta la diffusione della posizione quantistica del foro e riduce l'energia cinetica, un risultato favorevole.

Il teorema di Nagaoka è stato rapidamente riconosciuto perché esistono poche dimostrazioni rigorose che tentano di spiegare gli stati fondamentali dei sistemi di elettroni fortemente interagenti. Tuttavia, osservare le conseguenze attraverso esperimenti ha posto una sfida difficile a causa dei rigorosi requisiti del modello. Nel teorema, le interazioni dovevano essere infinitamente forti e veniva permesso un solo dopante. Oltre cinque decadi dopo che Nagaoka ha proposto la sua teoria, altri ricercatori si sono resi conto che queste condizioni irrealistiche potevano essere significativamente attenuate in reticoli con una geometria triangolare.

Per condurre l'esperimento, i ricercatori hanno utilizzato vapori di atomi di litio-6. Questo isotopo di litio contiene tre elettroni, tre protoni e tre neutroni. “Il numero totale dispari rende questo un isotopo fermionico, il che significa che gli atomi si comportano in modo simile agli elettroni in un sistema di stato solido”, ha detto Benjamin Spar, studente di dottorato in fisica alla Princeton University e co-autore principale del documento.

Quando questi gas vengono raffreddati con fasci di laser a temperature estreme, solo qualche miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto, il loro comportamento inizia ad essere governato dai principi della meccanica quantistica piuttosto che dalla più familiare meccanica classica.

“Una volta che abbiamo raggiunto questo sistema quantistico, la prossima cosa che facciamo è caricare gli atomi nel reticolo ottico triangolare. Nel set up di atomi freddi, possiamo controllare quanto velocemente gli atomi si muovono o quanto interagiscono fortemente tra loro", ha detto Spar.

In molti sistemi fortemente interagenti, le particelle in un reticolo sono organizzate in un “isolante Mott”, che è uno stato della materia in cui una singola particella occupa ogni sito del reticolo. In questo stato, ci sono deboli interazioni antiferromagnetiche dovute allo scambio di super in base allo spin degli elettroni sui siti vicini. Ma invece di utilizzare un isolante Mott, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata “dopaggio”, che rimuove alcune particelle, lasciando quindi "buchi" nel reticolo, o aggiunge particelle extra.

“Non iniziamo con un atomo per sito nel nostro esperimento”, ha detto Bakr. “Invece, dopiamo il reticolo con buchi o particelle. E quando fai questo, scopri che esiste una forma di magnetismo molto più robusta che si osserva in questi sistemi con scala energetica più alta rispetto al solito magnetismo di super scambio. Questa scala energetica ha a che fare con il salto degli atomi nel reticolo.”

Sfruttando i ben più ampi spazi di sito del reticolo nelle reti ottiche rispetto ai materiali reali, i ricercatori sono stati in grado di vedere cosa stava accadendo a livello di singolo sito con un microscopio ottico. Hanno scoperto che gli oggetti responsabili di questa nuova forma di magnetismo sono un nuovo tipo di polaron magnetico.

“Un polaron è una quasiparticella che emerge in un sistema quantico con molti costituenti interagenti”, ha detto Bakr. “Si comporta molto come una particella normale, nel senso che ha proprietà come una carica, uno spin e una massa effettiva, ma non è una particella reale come un atomo. In questo caso, è un dopante che si muove con una perturbazione del suo ambiente magnetico, o come gli spin attorno a esso sono allineati l'uno rispetto all'altro.”

In materiali reali, questa nuova forma di magnetismo è stata precedentemente osservata in cosiddetti materiali moiré composti da cristalli bidimensionali sovrapposti, e ciò è avvenuto solo nell'ultimo anno.

“Le sonde di magnetismo disponibili per questi materiali sono limitate. Gli esperimenti con materiali moiré hanno misurato effetti macroscopici, associati a come un grande pezzo di materiale reagisce quando viene applicato un campo magnetico”, ha detto Spar. “Con l'allestimento di atomi freddi, possiamo approfondire la fisica microscopica responsabile del magnetismo. Abbiamo preso immagini dettagliate che rivelano le correlazioni di spin attorno ai dopanti mobili. Ad esempio, scopriamo che un dopante a buco si circonda di spin antiallineati mentre si muove, mentre un dopante particella fa l'opposto, circondandosi di spin allineati.”

Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata nella fisica della materia condensata, anche oltre la comprensione della fisica del magnetismo. Ad esempio, versioni più complesse di questi polaroni sono state ipotizzate per portare a meccanismi per cui i dopanti a buco si accoppiano, il che potrebbe risultare in superconduttività ad alte temperature.

“La parte più eccitante di questa ricerca è che è veramente in contemporanea con studi nella comunità della materia condensata”, ha detto Max Prichard, studente di dottorato e co-autore principale del documento. “Siamo nella posizione unica di fornire intuizioni su un problema attuale da un angolo completamente diverso, e tutti ne traggono vantaggio.”

Guardando avanti, i ricercatori stanno già ideando nuovi e innovativi modi per sondare ulteriormente questa nuova, esotica forma di magnetismo - e indagare il polaron di spin in maggior dettaglio.

“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.