Hisnande Upptäckter: Princeton-fysiker avslöjar hemligheter om kinetisk magnetism

Forskare vid Princeton University har gjort ett genombrott i förståelsen av kinetisk magnetism genom att använda ultrakalla atomer i ett lasergjord gitter för att avbilda en ny typ av polaron, vilket avslöjar hur orenhetsrörelse i en atommatris orsakar robust magnetism vid höga temperaturer. Kredit: SciTechDaily.com

Forskningsteamet avbildade direkt det mikroskopiska objektet som är ansvarigt för denna magnetism, en ovanlig typ av polaron.

Alla magneter är inte desamma. När vi tänker på magnetism tänker vi ofta på magneter som fastnar på en kylskåpsdörr. För dessa typer av magneter har de elektroniska interaktionerna som ger upphov till magnetism förståtts i cirka ett århundrade, sedan de tidiga dagarna för kvantmekanik. Men det finns många olika former av magnetism i naturen och forskare upptäcker fortfarande de mekanismer som driver dem.

Nu har fysiker från Princeton University gjort stora framsteg i förståelsen av en form av magnetism, känd som kinetisk magnetism, med hjälp av ultrakalla atomer bundna i ett artificiellt lasergjort gitter. Deras experiment, dokumenterade i en artikel publicerad denna vecka i tidskriften Nature, gjorde det möjligt för forskarna att direkt avbilda det mikroskopiska objektet som är ansvarigt för denna magnetism, en ovanlig typ av polaron, eller kvasipartikel som framträder i ett samverkande kvantsystem.

“Detta är mycket spännande,” sa Waseem Bakr, professor i fysik vid Princeton och den seniora författaren till artikeln. “Magnetismens ursprung har att göra med orenheters rörelser i atomnätverket, därav namnet kinetisk magnetism. Denna rörelse är mycket ovanlig och leder till magnetism som är robust även vid mycket höga temperaturer. Tillsammans med möjligheten att justera magnetismen med dopning - tillsats eller borttagning av partiklar - är kinetisk magnetism mycket lovande för enhetsapplikationer i verkliga material.”

Bakr och hans team har studerat denna nya form av magnetism på en detaljnivå som inte tidigare uppnåtts. Med kontrollen som ges av ultrakalla atomsystem har forskarna för första gången kunnat visualisera den finfördelade fysiken som ger upphov till kinetisk magnetism.

Forskare vid Princeton har direkt avbildat de mikroskopiska ursprungen till en ny typ av magnetism. Kredit: Max Prichard, Waseem Bakr-gruppen vid Princeton University

“Vi har möjlighet i vårt laboratorium att titta på detta system på atom- och plattnivå i gitternätet och ta 'snapshots' av de subtila kvantkorrelationerna mellan partiklarna i systemet,” Bakr sa.

I flera år har Bakr och hans forskningsteam studerat kvanttillstånd genom att experimentera med ultrakalla subatomära partiklar, kända som fermioner, i ett vakuumkammare. De har utvecklat en sofistikerad apparat som svalnar atomer till ultralåga temperaturer och lastar dem i artificiella kristaller, kända som optiska gitter, som skapats med laserstrålar. Detta system har gjort det möjligt för forskarna att utforska många intressanta aspekter av kvantvärlden som involverar uppkomsten av interagerande partiklar.

En tidigt teoretiskt föreslagen mekanism för magnetism som lade grunden för teamets nuvarande experiment kallas Nagaoka-ferromagnetism, uppkallad efter sin upptäckare Yosuke Nagaoka. Ferromagneter är de där elektronernas spinnlägen alla pekar i samma riktning.

Medan en ferromagnet med justerat spinn är den mest kända typen av magnet, tenderar starkt interagerande elektroner på ett gitter i den enklaste teoretiska inställningen faktiskt att sträva efter antiferromagnetism, där spinnen anpassar sig i alternerande riktningar. Denna preferens för anti-anpassning av närliggande spinn uppstår som följd av en indirekt koppling av närliggande elektronspinn känd som superutbyte.

Men Nagaoka teoretiserade att ferromagnetism också kan uppstå från en helt annan mekanism, en som bestäms av rörelsen av avsiktligt tillsatta föroreningar, eller dopants. Detta kan bäst förstås genom att föreställa sig ett tvådimensionellt kvadratiskt gitter där varje gitterplats, med ett undantag, upptas av en elektron. Den ockuperade platsen (eller håldopanten) vandrar runt i gitteret.

Nagaoka fann att om hålet rör sig i en miljö av justerade spinn eller en ferromagnet, stör de olika banorna för hålets rörelse varandra kvantmekaniskt. Detta förstärker utbredningen av hålets kvantposition och minskar den kinetiska energin, ett gynnsamt resultat.

Nagaokas sats snabbt erhöll erkännande eftersom det finns få rigorösa bevis som försöker förklara grundtillstånden för system med starkt växelverkande elektroner. Men att observera följderna genom experiment ställde en svår utmaning på grund av modellens strikta krav. I satsen behövde interaktionerna vara oändligt starka och endast en enda dopant var tillåten. Mer än fem decennier efter att Nagaoka föreslog sin teori insåg andra forskare att dessa orealistiska villkor kunde lösas betydligt i galler med en triangulär geometri.

För att utföra experimentet använde forskarna ångor av litium-6-atomer. Denna isotop av litium innehåller tre elektroner, tre protoner och tre neutroner. "Det udda totala antalet gör detta till en fermionisk isotop, vilket innebär att atomerna beter sig på liknande sätt som elektroner i ett fast tillståndssystem", sa Benjamin Spar, doktorand i fysik vid Princeton University och en av huvudförfattarna till artikeln.

När dessa gaser kyls ner med laserstrålar till extremt låga temperaturer bara några miljarddelar av en grad över absoluta nollpunkt börjar deras beteende styras av kvantmekanikens principer snarare än den mer bekanta klassiska mekaniken.

“När vi har uppnått detta kvantsystem laddar vi in atomerna i det triangulära optiska gallret. I det kalla atomsystemet kan vi styra hur snabbt atomerna rör sig eller hur starkt de interagerar med varandra", sa Spar.

I många starkt växelverkande system är partiklarna i ett galler organiserade i en "Mott-isolator", som är ett tillstånd där en enskild partikel upptar varje plats i gallret. I detta tillstånd finns det svaga antiferromagnetiska interaktioner på grund av superbyte mellan spinnen hos elektroner på närliggande platser. Men istället för att använda en Mott-isolator använde forskarna en teknik som kallas "doping", vilken antingen tar bort partiklar och lämnar "hål" i gallret, eller lägger till extra partiklar.

“Vi börjar inte med en atom per plats i vårt experiment”, sa Bakr. "I stället för dopar vi gallret med hål eller partiklar. Och när du gör detta finner du att det finns en mycket robustare form av magnetism som observeras i dessa system med högre energiskala än den vanliga superbytesmagnetismen. Denna energiskala har att göra med hoppen hos atomerna i gallret.”

Genom att utnyttja de mycket större rumsavstånden i optiska galler jämfört med riktiga material kunde forskarna se vad som hände på enskild platsnivå med ett optiskt mikroskop. De upptäckte att de objekt som ansvarar för denna nya form av magnetism är en ny typ av magnetisk polaron.

"En polaron är en kvasipartikel som framträder i ett kvantsystem med många interagerande beståndsdelar", sa Bakr. "Det beter sig mycket som en regulär partikel, i den meningen att den har egenskaper som en laddning, en spinn och effektiv massa, men det är inte en faktisk partikel som en atom. I detta fall är det en dopant som rör sig runt med en störning av sin magnetiska omgivning, eller hur spinnen runt den är justerade i förhållande till varandra."

I riktiga material har denna nya form av magnetism tidigare observerats i så kallade moirématerial bestående av staplade tvådimensionella kristaller, och detta har bara inträffat det senaste året.

“Magnetismens sonder tillgängliga för dessa material är begränsade. Experiment med moirématerial har mätt makroskopiska effekter, kopplade till hur en stor bit material reagerar när ett magnetfält appliceras”, sa Spar. "Med det kalla atomsystemet kan vi gräva djupt in i den mikroskopiska fysiken som är ansvarig för magnetismen. Vi har tagit detaljerade bilder som avslöjar spinkorrelationerna runt de mobila dopanterna. Till exempel konstaterar vi att en håldopant omger sig själv med anti-justerade spinn när den rör sig runt, medan en partikeldopant gör motsatsen genom att omge sig med justerade spinn.”

Denna forskning har långtgående konsekvenser inom kondenserad matterfysik, även bortom att förstå fysiken hos magnetism. Till exempel har mer komplexa versioner av dessa polaroner spekulerats leda till mekanismer för håldopanter att para sig, vilket skulle kunna resultera i superledning vid höga temperaturer.

“Den mest spännande delen av denna forskning är att den verkligen är parallell med studier i kondenserad matterfysikgruppen”, sa Max Prichard, doktorand och huvudförfattare till artikeln. ”Vi är i en unik position att kunna ge insikt i ett aktuellt problem från en helt annan vinkel, och alla parter gynnas.”

På lång sikt utarbetar forskarna redan nya och innovativa sätt att ytterligare undersöka denna nya, exotiska form av magnetism - och undersöka spin polaron i mer detalj.

“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.