Princetoni fizikusok feltárják a kinetikus mágnesesség titkait | EatchbQ

SciTechDaily

A Princeton Egyetem kutatói áttörést értek el a kinetikus mágnesesség megértésében azáltal, hogy egy lézerrel épített rácsban ultrahideg atomokat használtak egy új típusú polaron leképezésére, feltárva, hogy az atomtömbben lévő szennyeződések mozgása robusztus mágnesességet okoz magas hőmérsékleten. Jóváírás: SciTechDaily.com

Fizikusok a Princeton egyetem közvetlenül leképezte a mágnesességért felelős mikroszkopikus objektumot, amely egy szokatlan típusú polaron.

Nem minden mágnes egyenlő. Amikor a mágnesességre gondolunk, általában olyan mágnesekre gondolunk, amelyek a hűtőszekrény ajtajához tapadnak. Az ilyen típusú mágneseknél a mágnesességet előidéző ​​elektronikus kölcsönhatásokat körülbelül egy évszázada, a kvantummechanika kezdetei óta ismerik. De a természetben a mágnesességnek sokféle formája létezik, és a tudósok még mindig felfedezik az ezeket mozgató mechanizmusokat.

A Princeton Egyetem fizikusai most jelentős előrelépést tettek a mágnesesség kinetikus mágnesességként ismert formájának megértésében, ultrahideg atomok felhasználásával, amelyeket mesterséges lézerrel épített rácsba kötnek. Kísérleteiket a folyóiratban ezen a héten megjelent cikkben reprodukálják Természetlehetővé tette a kutatók számára, hogy közvetlenül leképezzék a mágnesességért felelős mikroszkopikus objektumot, amely egy szokatlan típusú polaron vagy kvázirészecske, amely egy kölcsönhatásban lévő kvantumrendszerben keletkezik.

A kinetikus mágnesesség megértése

“Ez nagyon izgalmas” – mondta Waseem Bakr, a Princeton fizikaprofesszora és a tanulmány vezető szerzője. “A mágnesesség eredete az atomtömbben lévő szennyeződések mozgásával kapcsolatos, innen ered a név kinetikus mágnesesség. Ez a mozgás nagyon szokatlan, és olyan mágnesességhez vezet, amely még nagyon magas hőmérsékleten is robusztus. A mágnesesség doppinggal való hangolhatóságával – a részecskék hozzáadásával vagy eltávolításával – kombinálva a kinetikus mágnesesség nagy ígéretet jelent az eszközök valós anyagokban történő alkalmazásai számára.

Bakr és csapata olyan részletességgel tanulmányozta a mágnesesség ezen új formáját, amelyre a korábbi kutatások során nem került sor. Az ultrahideg atomrendszerek által biztosított vezérléssel a kutatók először tudták megjeleníteni azt a finomszemcsés fizikát, amely kinetikus mágnesességet eredményez.

Mágnesesség Mikroszkópikus eredetű

A Princeton kutatói közvetlenül leképezték egy új típusú mágnesesség mikroszkopikus eredetét. Köszönetnyilvánítás: Max Prichard, a Princetoni Egyetem Waseem Bakr csoportja

Speciális eszközök a kvantumfelfedezésekhez

„A laborunkban megvan a kapacitásunk ahhoz, hogy ezt a rendszert kislemezen nézzük atom és egyetlen hely szintjét a rácsban, és készítsen „pillanatfelvételeket” a rendszer részecskéi közötti finom kvantumkorrelációkról” – mondta Bakr.

Bakr és kutatócsoportja évek óta tanulmányozza a kvantumállapotokat ultrahideg szubatomi részecskékkel, úgynevezett fermionokkal egy vákuumkamrában. Kidolgoztak egy kifinomult eszközt, amely ultrahideg hőmérsékletre hűti le az atomokat, és mesterséges kristályokba tölti, úgynevezett optikai rácsokba, amelyeket lézersugarak segítségével hoztak létre. Ez a rendszer lehetővé tette a tudósok számára, hogy feltárják a kvantumvilág számos érdekes aspektusát, beleértve a kölcsönhatásban lévő részecskék együtteseinek kialakuló viselkedését.

Elméleti alapok és kísérleti betekintés

A mágnesesség egy korai elméletileg javasolt mechanizmusa, amely megalapozta a csapat jelenlegi kísérleteit, Nagaoka ferromágnesesség néven ismert, amelyet felfedezőjéről, Yosuke Nagaokáról neveztek el. A ferromágnesek azok, amelyekben az elektronok spinállapotai ugyanabba az irányba mutatnak.

Míg az összehangolt spinekkel rendelkező ferromágnes a legismertebb mágnestípus, a legegyszerűbb elméleti beállítás szerint a rácson lévő erősen kölcsönható elektronok valójában az antiferromágnesesség felé hajlanak, ahol a spinek váltakozó irányokba igazodnak. A szomszédos spinek elrendezésének ez a preferenciája a szomszédos elektron spinek szupercsereként ismert közvetett csatolásának eredménye.

Nagaoka azonban elmélete szerint a ferromágnesességet egy teljesen más mechanizmus is okozhatja, amelyet a szándékosan bejuttatott szennyeződések vagy adalékanyagok mozgása határoz meg. Ezt úgy érthetjük meg legjobban, ha elképzelünk egy kétdimenziós négyzetrácsot, ahol egy kivétellel minden rácshelyet elfoglal egy elektron. A nem foglalt hely (vagy lyukadalékanyag) a rács körül vándorol.

Nagaoka azt találta, hogy ha a lyuk egy vonalban forgó vagy ferromágneses környezetben mozog, akkor a lyuk mozgásának különböző pályái kvantummechanikailag interferálnak egymással. Ez javítja a lyukkvantumhelyzet szórását és csökkenti a kinetikus energiát, ami kedvező eredmény.

Nagaoka öröksége és a modern kvantummechanika

Nagaoka tétele hamar elismerést nyert, mivel kevés olyan szigorú bizonyíték áll rendelkezésre, amely megmagyarázná az erősen kölcsönható elektronokkal rendelkező rendszerek alapállapotát. A következmények kísérletekkel történő megfigyelése azonban nehéz kihívás volt a modell szigorú követelményei miatt. A tételben a kölcsönhatásoknak végtelenül erősnek kellett lenniük, és csak egyetlen doppingszer volt megengedett. Több mint öt évtizeddel azután, hogy Nagaoka előterjesztette elméletét, más kutatók rájöttek, hogy ezek az irreális feltételek jelentősen enyhíthetők háromszöggeometriájú rácsokban.

A kvantumkísérlet és következményei

A kísérlet végrehajtásához a kutatók lítium-6 atomok gőzeit használták fel. Ez a lítium izotóp három elektronból, három protonból és három neutronból áll. “A páratlan összszám fermionos izotóppá teszi, ami azt jelenti, hogy az atomok a szilárdtestrendszerben az elektronokhoz hasonlóan viselkednek” – mondta Benjamin Spar, a Princetoni Egyetem fizika szakos hallgatója és a tanulmány társszerzője.

Amikor ezeket a gázokat lézersugarak segítségével szélsőséges hőmérsékletre hűtik, mindössze néhány milliárd fokkal magasabbra abszolút nullaviselkedésüket kezdik a kvantummechanika elvei irányítani, nem pedig az ismertebb klasszikus mechanika.

Kvantumállapotok feltárása hideg atomokon keresztül

“Miután elértük ezt a kvantumrendszert, a következő dolgunk az, hogy az atomokat a háromszög alakú optikai rácsba töltjük. A hideg atomok beállításánál szabályozhatjuk, hogy az atomok milyen gyorsan mozognak, vagy milyen erősen lépnek kölcsönhatásba egymással.” – mondta Spar.

Sok erősen kölcsönhatásba lépő rendszerben a rács részecskéi egy “Mott-szigetelőben” szerveződnek, ami egy olyan halmazállapot, amelyben a rács minden helyét egyetlen részecske foglalja el. Ebben az állapotban gyenge antiferromágneses kölcsönhatások vannak a szomszédos helyeken lévő elektronok spinjei közötti szupercsere miatt. De a Mott szigetelő használata helyett a kutatók a “dopping” nevű technikát alkalmazták, amely vagy eltávolít néhány részecskét, ezáltal “lyukakat” hagy a rácsban, vagy további részecskéket ad hozzá.

A kvantummágnesesség új formáinak felfedezése

“Kísérletünkben nem egy atommal kezdünk helyenként” – mondta Bakr. “Ehelyett lyukakkal vagy részecskékkel kenjük be a rácsot. És amikor ezt megteszed, rájössz, hogy a mágnesességnek sokkal robusztusabb formája figyelhető meg ezekben a magasabb energiaskálájú rendszerekben, mint a szokásos szupercsere-mágnesesség. Ez az energiaskála a rácsban lévő atomok ugrálásához kapcsolódik.”

Az optikai rácsokban a valódi anyagokhoz képest sokkal nagyobb rácstávolság előnyeit kihasználva a kutatók optikai mikroszkóppal láthatták, mi történik az egyhelyszínen. Azt találták, hogy a mágnesesség ezen új formájáért felelős objektumok egy új típusú mágneses polaron.

A polaronok szerepe a kvantumrendszerekben

“A polaron egy kvázirészecske, amely egy kvantumrendszerben keletkezik, sok kölcsönhatásban lévő összetevővel” – mondta Bakr. “Nagyon úgy működik, mint egy közönséges részecske, abban az értelemben, hogy olyan tulajdonságai vannak, mint a töltés, a spin és az effektív tömeg, de nem olyan tényleges részecske, mint egy atom. Ebben az esetben ez egy adalékanyag, amely egy mágneses környezetének zavarása, vagy a körülötte lévő spinek egymáshoz viszonyított elrendezése.”

Valós anyagokban a mágnesességnek ezt az új formáját korábban az úgynevezett moaré anyagoknál is megfigyelték, amelyek egymásra rakott kétdimenziós kristályokból állnak, és ez csak az elmúlt évben történt meg.

Merüljön el mélyebben a kvantummágnesességben

“Az ezekhez az anyagokhoz rendelkezésre álló mágneses szondák korlátozottak. A moaré anyagokkal végzett kísérletek során makroszkopikus hatásokat mértek azzal kapcsolatban, hogy egy nagy darab anyag hogyan reagál mágneses tér hatására” – mondta Spar. “A hideg atom beállításával mélyre ásunk a mágnesességért felelős mikroszkopikus fizika. Részletes képeket készítettünk, amelyek felfedik a mobil adalékok körüli spin-korrelációkat. Például azt tapasztaljuk, hogy egy lyukadalékanyag körbe-körbe kerülés közben ellentétes forgásokkal veszi körül magát, míg a részecskékből álló adalékanyag ennek az ellenkezőjét teszi, és egy vonalban lévő pörgésekkel veszi körül magát.”

Ennek a kutatásnak messzemenő következményei vannak a kondenzált anyag fizikájában, még a mágnesesség fizikájának megértésen túl is. Például ezeknek a polaronoknak a bonyolultabb változatairól azt feltételezték, hogy olyan mechanizmusokhoz vezetnek, amelyek a lyukas adalékanyagok párosításához vezetnek, ami magas hőmérsékleten szupravezetést eredményezhet.

A kvantummágnesesség kutatásának jövőbeli irányai

“A kutatás legizgalmasabb része az, hogy ez valóban párhuzamos a kondenzált anyag közösségével kapcsolatos tanulmányokkal” – mondta Max Prichard, a tanulmány egyik végzős hallgatója és társszerzője. “Egyedülálló helyzetben vagyunk ahhoz, hogy egy teljesen más szemszögből betekintést nyújtsunk egy időszerű problémába, és ebből minden fél profitál.”

A jövőre nézve a kutatók már új és innovatív módszereket dolgoznak ki a mágnesesség ezen új, egzotikus formájának további vizsgálatára – és a spin-polaron részletesebb vizsgálatára.

A Polaron kutatás következő lépése

“Ebben az első kísérletben egyszerűen pillanatfelvételeket készítettünk a polaronról, ami csak az első lépés” – mondta Prichard. “De most a polaronok spektroszkópiai mérése érdekel bennünket. Szeretnénk látni, mennyi ideig élnek a polaronok a kölcsönhatásba lépő rendszerben, hogy megmérhessük a polaron összetevőit összekötő energiát és a polaronban terjedő effektív tömegét. még sok a tennivaló.”

A csapat többi tagja Zoe Yan, most tovább Chicagói Egyetemés teoretikusok, Ivan Morera, Barcelonai Egyetem (Spanyolország) és Eugene Demler, Elméleti Fizikai Intézet, Zürich, Svájc. A kísérleti munkát a National Science Foundation, a Army Research Office és a David and Lucile Packard Alapítvány támogatta.

Hivatkozás: „Spin polaronok közvetlen leképezése kinetikailag frusztrált Hubbard-rendszerben”, Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan és Waseem S. Bakr, 2024. május 8. Természet.
DOI: 10.1038/s41586-024-07356-6

(tagsTo Translate)Ferromágnesesség

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *