Przerażające Odkrycia: Fizycy z Princeton Odkrywają Sekrety Kinetycznego Magnetyzmu

Badacze z Uniwersytetu Princeton dokonali przełomu w zrozumieniu magnetyzmu kinetycznego, wykorzystując ultrazimne atomy w sieci tworzonej przez lasery do zobrazowania nowego rodzaju polaronu, ukazując, jak ruch zanieczyszczeń w układzie atomowym powoduje trwały magnetyzm przy wysokich temperaturach. Źródło: SciTechDaily.com

Zespół badawczy bezpośrednio zobrazował mikroskopowy obiekt odpowiedzialny za ten magnetyzm, nietypowy rodzaj polaronu.

Nie wszystkie magnesy są jednakowe. Kiedy myślimy o magnetyzmie, często myślimy o magnesach, które przylegają do drzwi lodówki. Dla tych rodzajów magnesów, elektroniczne interakcje, które powodują magnetyzm, są zrozumiane od około wieku, od początków mechaniki kwantowej. Ale w przyrodzie istnieje wiele różnych form magnetyzmu, a naukowcy wciąż odkrywają mechanizmy, które je napędzają.

Teraz, fizycy z Uniwersytetu Princeton dokonali znaczącego postępu w zrozumieniu formy magnetyzmu znanej jako magnetyzm kinetyczny, używając ultrazimnych atomów związanych w sztucznej sieci tworzonej przez lasery. Ich eksperymenty, opisane w artykule opublikowanym w tym tygodniu w czasopiśmie Nature, pozwoliły badaczom bezpośrednio zobrazować mikroskopowy obiekt odpowiedzialny za ten magnetyzm - nietypowy rodzaj polaronu, czyli kwazicząstki, która pojawia się w oddziaływującym systemie kwantowym.

"To jest bardzo ekscytujące," powiedział Waseem Bakr, profesor fizyki na Uniwersytecie Princeton i główny autor artykułu. "Pochodzenie magnetyzmu wynika z ruchu zanieczyszczeń w układzie atomowym, stąd nazwa magnetyzm kinetyczny. Ten ruch jest bardzo nietypowy i prowadzi do magnetyzmu, który jest trwały nawet przy bardzo wysokich temperaturach. W połączeniu z możliwością regulacji magnetyzmu poprzez domieszkowanie - dodanie lub usunięcie cząstek - magnetyzm kinetyczny jest bardzo obiecujący dla zastosowań urządzeń w rzeczywistych materiałach."

Bakr i jego zespół badali tę nowatorską formę magnetyzmu na poziomie szczegółowości niewykrytej w poprzednich badaniach. Dzięki kontroli zapewnianej przez ultrazimne systemy atomowe, badacze zdołali po raz pierwszy zobrazować subtelne fizyki, które powodują magnetyzm kinetyczny.

Badacze z Princeton bezpośrednio zobrazowali mikroskopowe źródło nowego rodzaju magnetyzmu. Źródło: Max Prichard, grupa Waseem Bakr na Uniwersytecie Princeton

"Mamy możliwość w naszym laboratorium zobaczenia tego systemu na poziomie pojedynczego atomu i pojedynczego miejsca w sieci oraz wykonania 'migawek' subtelnych korelacji kwantowych między cząstkami w systemie," powiedział Bakr.

Od kilku lat Bakr i jego zespół badawczy badają stany kwantowe, eksperymentując z ultrazimnymi cząstkami subatomowymi znanymi jako fermiony w komorze próżniowej. Opracowali oni skomplikowane urządzenie, które chłodzi atomy do ultrazimnych temperatur i umieszcza je w sztucznych kryształach znanymi jako sieci optyczne tworzone przy użyciu wiązek laserowych. Ten system pozwolił badaczom na zbadanie wielu interesujących aspektów kwantowego świata, obejmujących zachowania wynikające z oddziaływania zbiorów cząstek.

Pierwszym teoretycznie zaproponowanym mechanizmem magnetyzmu, który stanowił podstawę dla obecnych eksperymentów zespołu, jest magnetyzm ferromagnetyczny Nagaoka, nazwany na cześć jego odkrywcy Yosuke Nagaoka. Ferromagnesy to te, w których stany spinu elektronów wszystkie wskazują w tym samym kierunku.

Chociaż ferromagnet z wyrównanymi spinami to najbardziej znany rodzaj magnesu, w najprostszym teoretycznym ujęciu, silnie oddziałujące elektrony na sieci rzeczywiście mają skłonność do antyferromagnetyzmu, w którym spiny są wyrównane w przemiennych kierunkach. Preferencja dla anty-wyrównania sąsiednich spinów wynika z pośredniego sprzężenia sąsiednich spinów elektronów, znane jako superwymiana.

Jednak Nagaoka teoretyzował, że ferromagnetyzm może również wynikać z zupełnie innego mechanizmu, jednego determined przez ruch celowo dodanych zanieczyszczeń, lub domieszek. Można to najlepiej zrozumieć, wyobrażając sobie dwuwymiarową kwadratową sieć, w której każde miejsce sieci, z jednym wyjątkiem, jest zajmowane przez elektron. Niezajęte miejsce (lub domieszka dziur) przemieszcza się po sieci.

Nagaoka odkrył, że jeśli dziura porusza się w środowisku wyrównanych spinów lub ferromagnesu, różne trajektorie ruchu dziury kwantowo zakłócają się wzajemnie. To zwiększa rozprzestrzenianie się kwantowej pozycji dziury i zmniejsza energię kinetyczną, co jest korzystnym wynikiem.

Twierdzenie Nagaoki szybko zdobyło uznanie, ponieważ istnieje niewiele rygorystycznych dowodów, które miałyby wyjaśnić stany podstawowe układów silnie oddziałujących elektronów. Obserwacja konsekwencji na drodze eksperymentów stanowiła jednak trudne wyzwanie ze względu na surowe wymagania modelu. W twierdzeniu konieczne było, aby oddziaływania były nieskończenie silne, a dopuszczone było tylko jedno domieszkowanie. Ponad pięć dekad po tym, jak Nagaoka zaproponował swoją teorię, inni naukowcy zrozumieli, że te nierealistyczne warunki można znacznie złagodzić w sieciach o geometrycznym kształcie trójkąta.

Do przeprowadzenia eksperymentu naukowcy wykorzystali pary atomów litu-6. Ten izotop litu zawiera trzy elektrony, trzy protony i trzy neutrony. „Nieparzysta liczba całkowita sprawia, że jest to izotop fermionowy, co oznacza, że atomy zachowują się podobnie do elektronów w układzie na twardym podłożu” - powiedział Benjamin Spar, student studiów doktoranckich z fizyki na Uniwersytecie w Princeton i współautor publikacji.

Kiedy te gazy są wystarczająco schłodzone za pomocą wiązek laserowych do ekstremalnie niskich temperatur, zaledwie kilka miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego, ich zachowanie zaczyna być kierowane przez zasady mechaniki kwantowej, a nie bardziej znaną mechanikę klasyczną.

„Kiedy już osiągnęliśmy ten kwantowy układ, następnie ładowaliśmy atomy do trójkątnej sieci optycznej. W układzie z zimnymi atomami możemy kontrolować, jak szybko atomy poruszają się wokół lub jak silnie oddziałują ze sobą" - powiedział Spar.

W wielu silnie oddziałujących systemach, cząstki w sieciach są organizowane w tzw. „izolatorze Motta”, stan materii, w którym pojedyncza cząstka zajmuje każde miejsce na siatce. W tym stanie występują słabe antyferromagnetyczne oddziaływania wynikające ze superzamiany między spinem elektronów na sąsiadujących miejscach. Ale zamiast korzystać z izolatora Motta, naukowcy użyli techniki zwanej "domieszkowaniem", która albo usuwa niektóre cząstki, pozostawiając „dziury" w siatce, albo dodaje dodatkowe cząstki.

„Nie zaczynamy od jednego atomu na miejscu w naszym eksperymencie” - powiedział Bakr. „Zamiast tego domieszkujemy siatkę dziurami lub cząstkami. I kiedy to robisz, okazuje się, że obserwuje się znacznie bardziej stabilny rodzaj magnetyzmu w tych systemach o wyższej skali energetycznej niż zwykły magnetyzm superzamiany. Ta skala energetyczna ma związek ze skokiem atomów w sieci”.

Wykorzystując znacznie większe odległości między miejscami w siatkach optycznych w porównaniu do prawdziwych materiałów, naukowcy byli w stanie zobaczyć, co działo się na poziomie pojedynczych miejsc za pomocą mikroskopu optycznego. Odkryli, że nowy rodzaj magnetyzmu jest odpowiedzialny za nowy rodzaj polaronu magnetycznego.

„Polaron to kwazicząstka, która pojawia się w układzie kwantowym z wieloma interakcjami” - powiedział Bakr. „Działa bardzo podobnie do zwykłej cząstki, w sensie, że ma właściwości takie jak ładunek, spin i efektywną masę, ale nie jest to rzeczywista cząstka, jak atom. W tym przypadku jest to domieszka, która porusza się z zakłóceniem w swoim magnetycznym otoczeniu, czyli jak obroty wokół niej są względem siebie zorientowane”.

W prawdziwych materiałach, ten nowy rodzaj magnetyzmu był wcześniej obserwowany w tak zwanych materiałach moiré składających się ze składanych dwuwymiarowych kryształów, a stało się to dopiero w zeszłym roku.

„Dostępne sondy magnetyzmu dla tych materiałów są ograniczone. Eksperymenty z materiałami moiré mierzyły efekty makroskopowe, związane z tym, jak duży kawałek materiału reaguje, kiedy jest stosowane pole magnetyczne” - powiedział Spar. „Dzięki układowi z zimnymi atomami możemy zagłębić się w mikroskopową fizykę odpowiedzialną za magnetyzm. Wykonaliśmy szczegółowe obrazy ujawniające korelację spinów wokół ruchomych domieszek. Na przykład odkryliśmy, że domieszka dziur otacza się przeciwnie zorientowanymi spinami, kiedy porusza się, podczas gdy domieszka cząstkowa robi odwrotnie, otaczając siebie zorientowanymi spinami”.

Te badania mają daleko idące implikacje w fizyce skondensowanej materii, nawet poza zrozumieniem fizyki magnetyzmu. Na przykład, bardziej złożone wersje tych polaronów hipotetycznie prowadzą do mechanizmów umożliwiających parowanie domieszek dziur, co może skutkować nadprzewodnictwem przy wysokich temperaturach.

„Najbardziej ekscytującą częścią tego badania jest fakt, że jest ono prawdziwie równoczesne ze studiami w społeczności skondensowanej materii” - powiedział Max Prichard, student studiów doktoranckich i współautor publikacji. „Jesteśmy w unikalnej pozycji, aby dostarczyć wgląd w aktualny problem z zupełnie innego kąta, a wszystkie strony na tym korzystają”.

Patrząc w przyszłość, naukowcy już opracowują nowe i innowacyjne sposoby dalszego badania tego nowego, egzotycznego rodzaju magnetyzmu - i badać polarony spinu w większym szczególe.

“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.