Verbluffende Ontdekkingen: Natuurkundigen van Princeton onthullen geheimen van kinetisch magnetisme

Onderzoekers aan de Universiteit van Princeton hebben een doorbraak bereikt in het begrijpen van kinetisch magnetisme door ultrakoude atomen in een door een laser gebouwde rooster te gebruiken om een nieuw type polaron te visualiseren, en onthullen hoe de onzuiverheidsbeweging in een atomaire array leidt tot stevig magnetisme bij hoge temperaturen. Bron: SciTechDaily.com

Het onderzoeksteam fotografeerde rechtstreeks het microscopische object dat verantwoordelijk is voor dit magnetisme, een ongewoon soort polaron.

Niet alle magneten zijn hetzelfde. Als we aan magnetisme denken, denken we vaak aan magneten die aan de deur van een koelkast blijven plakken. Voor dit soort magneten worden de elektronische interacties die aanleiding geven tot magnetisme al bijna een eeuw begrepen, 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 ze aandrijven.

Nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Princeton een grote stap voorwaarts gemaakt in het begrijpen van een vorm van magnetisme die bekend staat als kinetisch magnetisme, met behulp van ultrakoude atomen gebonden in een kunstmatig laser-rooster. Hun experimenten, beschreven in een paper die deze week in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, stelden de onderzoekers in staat om het microscopische object dat verantwoordelijk is voor dit magnetisme rechtstreeks te visualiseren, een ongewoon soort polaron, of quasideeltje dat opduikt in een interactief kwantumsysteem.

"Dit is erg opwindend," zei Waseem Bakr, professor in de natuurkunde aan Princeton en de senior auteur van het artikel. "De oorsprong van het magnetisme heeft te maken met de beweging van onzuiverheden in de atomaire array, vandaar de naam kinetisch magnetisme. Deze beweging is zeer ongebruikelijk en leidt tot magnetisme dat zelfs bij zeer hoge temperaturen robuust is. In combinatie met de instelbaarheid van het magnetisme met doping - de toevoeging of verwijdering van deeltjes - is het kinetische magnetisme zeer veelbelovend voor apparaat-toepassingen in echte materialen."

Bakr en zijn team hebben dit nieuwe soort magnetisme bestudeerd op een detailniveau dat in eerder onderzoek niet behaald is. Met de controle die ultrakoude atoomsystemen bieden, hebben de onderzoekers voor het eerst de fijnmazige natuurkunde kunnen visualiseren die aanleiding geeft tot kinetisch magnetisme.

Onderzoekers aan Princeton hebben de microscopische oorsprong van een nieuwe vorm van magnetisme rechtstreeks gevisualiseerd. Bron: Max Prichard, Waseem Bakr groep aan de Universiteit van Princeton

"We hebben de mogelijkheid in ons lab om dit systeem op het niveau van de enkele atoom en enkele site in het rooster te bekijken en 'momentopnamen' te maken van de subtiele kwantumcorrelaties tussen de deeltjes in het systeem," zei Bakr.

Bakr en zijn onderzoeksteam hebben meerdere jaren kwantumtoestanden bestudeerd door te experimenteren met ultrakoude subatomaire deeltjes, fermionen genaamd, in een vacuümkamer. Ze hebben een geavanceerd apparaat bedacht dat atomen tot ultrakoude temperaturen koelt en ze laadt in kunstmatige kristallen, optische roosters genaamd, die gecreëerd zijn met laserstralen. Met dit systeem hebben de onderzoekers vele interessante aspecten kunnen verkennen van de kwantumwereld en het emergent gedrag van ensemble van interactieve deeltjes.

Een theoretisch vroeg voorgesteld mechanisme voor magnetisme dat de basis legde voor de huidige experimenten van het team staat bekend als Nagaoka-ferromagnetisme, naar de ontdekker Yosuke Nagaoka. Ferromagneten zijn magneten waarbij alle elektronspin-toestanden in dezelfde richting wijzen.

Hoewel een ferromagneet met uitgelijnde spins het bekendste type magneet is, neigen in de eenvoudigste theoretische instelling, sterk interactieve elektronen op een rooster daadwerkelijk tot antiferromagnetisme, waarbij de spins elkaar om en om afwisselen. Deze voorkeur voor anti-uitlijning van de spins van naburige elektronen komt naar voort als resultaat van een indirecte koppeling van naburige elektronspins die bekend staat als superuitwisseling.

Desalniettemin heeft Nagaoka gespeculeerd dat ferromagnetisme ook het resultaat kan zijn van een totaal ander mechanisme, bepaald door de beweging van opzettelijk toegevoegde onzuiverheden, ofwel dopanten. Dit kan het best worden begrepen door een tweedimensionaal vierkantrooster te visualiseren waarbij elke roostersite, met één uitzondering, bezet is door een elektron. De onbezette site (of gatdopant) dwaalt rond in het rooster.

Nagaoka ontdekte dat als het gat zich voortbeweegt in een omgeving met aligned spins of een ferromagneet, de verschillende trajecten voor de beweging van het gat kwantummechanisch met elkaar interfereren. Dit vergroot de verspreiding van de kwantumpositie van het gat en vermindert de kinetische energie, een gunstige uitkomst.

Nagaoka's stelling kreeg snel erkenning omdat er weinig rigoureuze bewijzen zijn die naar verluidt de grondtoestanden van systemen van sterke interagerende elektronen verklaren. Maar het observeren van de gevolgen via experimenten bleek een moeilijke uitdaging vanwege de strikte eisen van het model. In de stelling moesten de interacties oneindig sterk zijn en was slechts één enkele dopant toegestaan. Meer dan vijf decennia nadat Nagaoka zijn theorie had voorgesteld, realiseerden andere onderzoekers zich dat deze onrealistische omstandigheden aanzienlijk konden worden versoepeld in roosters met een driehoekige geometrie.

Voor het uitvoeren van het experiment gebruikten de onderzoekers dampen van lithium-6-atomen. Deze isotoop van lithium bevat drie elektronen, drie protonen en drie neutronen. “Het oneven totaal aantal maakt dit een fermionische isotoop, wat betekent dat de atomen zich op een vergelijkbare manier gedragen als elektronen in een vastestofsysteem,” zei Benjamin Spar, een doctoraatsstudent in de natuurkunde aan de Princeton University en een van de hoofdauteurs van het paper.

Wanneer deze gassen worden afgekoeld tot extreme temperaturen - een paar miljardste van een graad boven het absolute nulpunt - wordt hun gedrag meer bepaald door de principes van de kwantummechanica dan door de meer vertrouwde klassieke mechanica.

“Nadat we dit kwantumsysteem hebben bereikt, laden we de atomen in het driehoekige optische rooster. In de koude-atoomopstelling kunnen we beheersen hoe snel atomen zich verplaatsen of hoe sterk ze met elkaar interageren,” zei Spar.

In veel sterk interactieve systemen zijn de deeltjes in een rooster georganiseerd in een “Mott-isolator”, wat een toestand van de materie is waarin een enkel deeltje elke plek van het rooster inneemt. In deze toestand zijn er zwakke antiferromagnetische interacties door superexchange tussen de spin van elektronen op naburige plaatsen. Maar in plaats van een Mott-isolator te gebruiken, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd "doping", waarbij sommige deeltjes worden verwijderd, waardoor er "gaten" in het rooster ontstaan, of er worden extra deeltjes toegevoegd.

“We beginnen niet met één atoom per plaats in ons experiment,” zei Bakr. “In plaats daarvan doppen we het rooster met gaten of deeltjes. En als je dit doet, vind je dat er een veel robuustere vorm van magnetisme is die wordt waargenomen in deze systemen met een hogere energie-schaal dan het gebruikelijke superexchange magnetisme. Deze energie-schaal heeft te maken met het hoppen van de atomen in het rooster.”

Met gebruik van veel grotere roosterplaatsafstanden in optische roosters in vergelijking met echte materialen, konden de onderzoekers op het enkele-plaatsniveau zien wat er gebeurde met een optische microscoop. Ze ontdekten dat de objecten verantwoordelijk voor deze nieuwe vorm van magnetisme een nieuw type magnetische polaron zijn.

“Een polaron is een quasideeltje dat ontstaat in een kwantumsysteem met veel interagerende componenten,” zei Bakr. “Het gedraagt zich heel erg als een gewoon deeltje, in die zin 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 dopant die rond beweegt met een verstoring van zijn magnetische omgeving, of hoe de spins om hem heen 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 tweedimensionale kristallen, en dit is pas het afgelopen jaar gebeurd.

“De probes van het magnetisme die beschikbaar zijn voor deze materialen zijn beperkt. Experimenten met moiré-materialen hebben macroscopische effecten gemeten, geassocieerd met hoe een groot stuk materiaal reageert wanneer er een magnetisch veld wordt toegepast,” zei Spar. “Met de koude-atoomopstelling kunnen we diep in de microscopische natuurkunde graven die verantwoordelijk is voor het magnetisme. We hebben gedetailleerde afbeeldingen genomen die de spin-correlaties onthullen rond de mobiele dopanten. We ontdekken bijvoorbeeld dat een gat-dopant zichzelf omringt met anti-uitgelijnde spins terwijl het zich verplaatst, terwijl een deeltjes-dopant het tegenovergestelde doet, zichzelf omringt met uitgelijnde spins.”

Dit onderzoek heeft verregaande implicaties in de gecondenseerde materie fysica, zelfs verder dan het begrijpen van de fysica van magnetisme. Bijvoorbeeld, meer complexe versies van deze polarons zijn gehypothetiseerd om mechanismen te leiden voor gat-dopanten om te paren, wat kan leiden tot supergeleiding bij hoge temperaturen.

“Het meest opwindende deel van dit onderzoek is dat het echt gelijktijdig is met studies in de gecondenseerde materiegemeenschap,” zei Max Prichard, een doctoraatsstudent en mede-hoofdauteur van het paper. “We bevinden ons in de unieke positie om inzicht te bieden in een actueel probleem vanuit een totaal verschillende hoek, en alle partijen profiteren ervan.”

Kijkend naar de toekomst, zijn de onderzoekers al nieuwe en innovatieve manieren aan het bedenken om deze nieuwe, exotische vorm van magnetisme verder te onderzoeken - en de spin-polaron in meer detail te onderzoeken.

“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.