I fisici di Princeton svelano i segreti del magnetismo cinetico

Fisici da università di Princeton Hanno ripreso direttamente l’oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un tipo insolito di polarone.

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

Ora, i fisici dell’Università di Princeton hanno compiuto progressi significativi nella comprensione di una forma di magnetismo nota come magnetismo cinetico, utilizzando atomi ultrafreddi collegati a un reticolo artificiale realizzato con un laser. Le loro esperienze sono raccontate in un articolo di ricerca pubblicato questa settimana sulla rivista naturaCiò ha permesso ai ricercatori di immaginare direttamente l’oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un tipo insolito di polarone, o quasiparticella, che appare in un sistema quantistico interagente.

Comprendere il magnetismo cinetico

“Questo è molto emozionante”, ha detto Waseem Bakr, professore di fisica all’Università di Princeton e autore principale dello studio. “Le origini del magnetismo hanno a che fare con il movimento delle impurità nella matrice atomica, da cui il nome Cinetica Magnetismo. Questo movimento è molto insolito e provoca un forte magnetismo anche a temperature molto elevate. Combinato con la possibilità di sintonizzare il magnetismo con il drogaggio – aggiungendo o rimuovendo particelle – il magnetismo cinetico è molto promettente per le applicazioni di dispositivi in ​​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 fornito dai sistemi atomici ultrafreddi, i ricercatori sono stati in grado, per la prima volta, di visualizzare la fisica precisa che dà origine al magnetismo cinetico.

I ricercatori dell’Università di Princeton hanno immaginato direttamente le origini microscopiche di un nuovo tipo di magnetismo. Credito immagine: Max Pritchard, Collezione Waseem Bakr presso l’Università di Princeton

Strumenti avanzati per scoperte quantistiche

“Nel nostro laboratorio abbiamo la capacità di esaminare questo sistema individualmente mais “I ricercatori stanno monitorando il livello di una singola posizione nella rete e scattando istantanee delle precise correlazioni quantistiche tra le particelle nel sistema”, ha detto Baker.

Per diversi anni, Bakr e il suo gruppo di ricerca hanno studiato gli stati quantistici sperimentando particelle subatomiche ultrafredde note come fermioni in una camera a vuoto. Hanno creato un sofisticato dispositivo che raffredda gli atomi a temperature criogeniche e li trattiene in cristalli artificiali noti come reticoli ottici creati utilizzando i laser. Questo sistema ha permesso ai ricercatori di esplorare molti aspetti interessanti del mondo quantistico, compreso il comportamento emergente di gruppi di particelle interagenti.

Fondamenti teorici e spunti sperimentali

Uno dei primi meccanismi teoricamente proposti 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 tutti gli stati di spin degli elettroni puntano nella stessa direzione.

Mentre un ferromagnete con spin allineati è il tipo più comune di magnete, nel contesto teorico più semplice, gli elettroni fortemente interagenti sul reticolo tendono in realtà verso l’antiferromagnetismo, con gli spin allineati in direzioni alternate. Questa preferenza per resistere all’allineamento degli spin vicini si verifica come risultato dell’accoppiamento indiretto degli spin elettronici vicini noto come superscambio.

Tuttavia, Nagaoka teorizzò che il ferromagnetismo potesse anche derivare da un meccanismo completamente diverso, determinato dal movimento di impurità aggiunte intenzionalmente, o dal doping. Questo può essere meglio compreso immaginando un reticolo quadrato bidimensionale, dove ogni sito del reticolo, tranne uno, è occupato da un elettrone. Un sito non occupato (o un buco simile) vaga per la rete.

Nagaoka ha scoperto che se il buco si muove in un ambiente con spin paralleli o ferromagneti, i diversi percorsi del movimento del buco quantistico interferiscono meccanicamente tra loro. Ciò migliora la propagazione del buco quantico fuori dal sito e riduce l’energia cinetica, il che è un risultato positivo.

L’eredità di Nagaoka e la moderna meccanica quantistica

La teoria di Nagaoka ottenne rapidamente riconoscimento perché c’erano poche prove rigorose che pretendessero di spiegare gli stati fondamentali dei sistemi di elettroni fortemente interagenti. Ma monitorare le conseguenze attraverso gli esperimenti è stata una sfida difficile a causa dei severi requisiti del modello. In teoria, le reazioni dovrebbero essere infinitamente forti ed è consentito un solo drogante. Nel corso dei cinque decenni successivi alla proposta della sua teoria da parte di Nagaoka, altri ricercatori si resero conto che queste condizioni irrealistiche potevano essere significativamente alleviate nelle reti con geometria triangolare.

Esperimento quantistico e suoi effetti

Per condurre l’esperimento, i ricercatori hanno utilizzato vapori di atomi di litio-6. Questo isotopo del litio ha tre elettroni, tre protoni e tre neutroni. “Il numero totale dispari rende questo isotopo fermionico, il che significa che gli atomi si comportano in modo simile agli elettroni in un sistema a stato solido”, ha affermato Benjamin Spar, studente laureato in fisica all’Università di Princeton e coautore dello studio.

Quando questi gas vengono raffreddati utilizzando i laser a temperature estreme di solo pochi miliardesimi di grado Zero AssolutoIl loro comportamento inizia a obbedire ai principi della meccanica quantistica piuttosto che alla più familiare meccanica classica.

Esplorazione degli stati quantistici attraverso le impostazioni dell’atomo freddo

“Una volta ottenuto questo sistema quantistico, la prossima cosa che facciamo è caricare gli atomi nel reticolo ottico triangolare”, afferma Spar. “Nella configurazione dell’atomo freddo, possiamo controllare la velocità con cui gli atomi si muovono o la forza con cui interagiscono tra loro altro.”

In molti sistemi altamente interagenti, le particelle nel reticolo sono organizzate in un “isolante mortale”, uno stato della materia in cui una singola particella occupa ciascun sito del reticolo. In questo caso si hanno deboli interazioni ferromagnetiche dovute a scambi superflui tra gli spin degli elettroni in siti adiacenti. Ma invece di utilizzare un isolante morente, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata “innesto”, che rimuove alcune molecole, lasciando così “buchi” nella rete, oppure aggiunge ulteriori molecole.

Scoprire nuove forme di magnetismo quantistico

“Nel nostro esperimento non iniziamo con un seme per sito”, ha detto Baker. “Invece, copriamo il reticolo con buchi o molecole. E quando lo fai, scopri che esiste una forma di magnetismo molto più forte che si osserva in questi sistemi a una scala energetica più elevata rispetto al solito magnetismo di superscambio. Questa scala energetica ha a che fare con gli atomi che saltano nel reticolo.”

Sfruttando le distanze maggiori tra i siti reticolari nelle reti ottiche rispetto ai materiali reali, i ricercatori sono stati in grado di vedere cosa stava succedendo a livello di singolo sito utilizzando la microscopia ottica. Hanno scoperto che gli oggetti responsabili di questa nuova forma di magnetismo sono un nuovo tipo di polo magnetico.

Il ruolo dei polaroni nei sistemi quantistici

“Un polarone è una quasiparticella che appare in un sistema quantistico con molti componenti interagenti”, ha detto Baker. “Si comporta in modo molto simile a una particella normale, nel senso che ha proprietà come carica, spin e massa effettiva, ma non è una particella vera e propria come un atomo. In questo caso, è un materiale drogante che si muove con un disturbo nel suo ambiente magnetico , o come gli spin sono allineati attorno a loro l’uno rispetto all’altro.

Nei materiali reali, questa nuova forma di magnetismo è stata precedentemente osservata nei cosiddetti materiali moiré costituiti da cristalli 2D impilati, e ciò è accaduto solo nell’ultimo anno.

Investiga più a fondo nel magnetismo quantistico

“Le sonde magnetiche disponibili per questi materiali sono limitate. Esperimenti con materiali moiré hanno misurato gli effetti macroscopici associati al modo in cui un grande pezzo di materiale risponde quando viene applicato un campo magnetico”, ha detto Spar. “Con la configurazione dell’atomo freddo, possiamo farlo approfondire la fisica delle microstrutture responsabili del magnetismo. Abbiamo catturato immagini dettagliate che rivelano le correlazioni di spin attorno al doping mobile. Ad esempio, una particella piena di buchi si circonda di spin anti-allineamento mentre si muove, mentre una particella potenziata fa il contrario, circondandosi di spin coerente.

Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata per la fisica della materia condensata, anche oltre la comprensione della fisica del magnetismo. Ad esempio, è stato ipotizzato che versioni più complesse di questi polaroni diano origine a meccanismi di accoppiamento di drogaggio delle lacune, che potrebbero portare alla superconduttività ad alte temperature.

Direzioni future nella ricerca sul magnetismo quantistico

“La parte più interessante di questa ricerca è che coincide davvero con gli studi sulla comunità della materia condensata”, ha affermato Max Pritchard, studente laureato e coautore dell’articolo. “Siamo in una posizione unica per fornire una visione tempestiva di un problema da una prospettiva completamente diversa, e tutte le parti ne trarranno vantaggio”.

Guardando al futuro, i ricercatori stanno già escogitando modi nuovi e innovativi per esplorare ulteriormente questa strana nuova forma di magnetismo e indagare la polarità dello spin in modo più dettagliato.

Prossimi passi nella ricerca sul Polaron

“In questo primo esperimento, abbiamo semplicemente scattato delle istantanee del polarone, che è solo il primo passo”, ha detto Pritchard. “Ma ora siamo interessati a misurare spettroscopicamente i polaroni. Vogliamo vedere quanto tempo vivono i polaroni nel sistema interagente, per misurare l’energia che lega i componenti degli elettrodi e la loro massa effettiva mentre si propagano nel reticolo. C’è molto di più fare.”

Gli altri membri della squadra sono Zoe Yan, ora presente Università di Chicagoe i teorici Ivan Moreira, Università di Barcellona, ​​Spagna, e Eugene Demmler, Istituto di fisica teorica di Zurigo, Svizzera. Il lavoro sperimentale è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dall’Esercito Research Office e dalla David and Lucile Packard Foundation.

Riferimento: “Imaging diretto dei poli di spin in un sistema Hubbard cineticamente frustrato” di Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan e Wasim S. Bakr, 8 maggio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6