Princetonin fyysikot paljastavat kineettisen magnetismin salaisuudet | Cilostazol

SciTechDaily

Princetonin yliopiston tutkijat ovat tehneet läpimurron kineettisen magnetismin ymmärtämisessä käyttämällä ultrakylmiä atomeja laserilla rakennetussa hilassa kuvantamaan uudentyyppistä polaronia, paljastaen kuinka epäpuhtauksien liikkeet atomiryhmässä aiheuttavat vahvaa magnetismia korkeissa lämpötiloissa. Luotto: SciTechDaily.com

Tutkimusryhmä kuvasi suoraan mikroskooppisen esineen, joka on vastuussa tästä magnetismista, epätavallisesta polaronityypistä.

Kaikkia magneetteja ei ole luotu samanarvoisiksi. Kun ajattelemme magnetismia, ajattelemme usein magneetteja, jotka tarttuvat jääkaapin oveen. Tällaisten magneettien elektroniset vuorovaikutukset, jotka synnyttävät magnetismin, on ymmärretty noin vuosisadan ajan kvanttimekaniikan alkuajoista lähtien. Mutta luonnossa on monia erilaisia ​​magnetismin muotoja, ja tutkijat ovat edelleen löytämässä mekanismeja, jotka ohjaavat niitä.

Nyt fyysikot Princetonin yliopisto ovat edistyneet merkittävästi magnetismin muodon, joka tunnetaan nimellä kineettinen magnetismi, ymmärtämisessä käyttämällä ultrakylmiä atomeja, jotka on sidottu keinotekoiseen laserrakennettuun hilaan. Heidän kokeilunsa on toistettu tällä viikolla lehdessä julkaistussa artikkelissa Luontoantoi tutkijoille mahdollisuuden kuvata suoraan mikroskooppisen kohteen, joka on vastuussa tästä magnetismista, epätavallisesta polaronityypistä tai kvasihiukkasesta, joka syntyy vuorovaikutuksessa olevasta kvanttijärjestelmästä.

Kineettisen magnetismin ymmärtäminen

“Tämä on erittäin jännittävää”, sanoi Princetonin fysiikan professori ja paperin vanhempi kirjoittaja Waseem Bakr. “Magnetismin alkuperä liittyy epäpuhtauksien liikkumiseen atomiryhmässä, mistä johtuu nimi kineettinen magnetismi. Tämä liike on hyvin epätavallinen ja johtaa magnetismiin, joka on kestävä jopa erittäin korkeissa lämpötiloissa. Yhdessä magnetismin viritettävyyteen dopingilla – hiukkasten lisäämisellä tai poistamisella – kineettisellä magnetismilla on suuri lupaus laitesovelluksiin todellisissa materiaaleissa.”

Bakr ja hänen tiiminsä tutkivat tätä uutta magnetismin muotoa yksityiskohtaisella tasolla, jota aiemmissa tutkimuksissa ei havaittu. Ultrakylmien atomijärjestelmien tarjoaman ohjauksen avulla tutkijat ovat ensimmäistä kertaa pystyneet visualisoimaan hienorakeisen fysiikan, joka synnyttää kineettisen magnetismin.

Magnetismi Mikroskooppinen alkuperä

Princetonin tutkijat ovat kuvanneet suoraan uudentyyppisen magnetismin mikroskooppisen alkuperän. Luotto: Max Prichard, Waseem Bakr Group Princetonin yliopistossa

Kehittyneet työkalut kvanttilöytöihin

“Meillä on laboratoriossamme kapasiteettia tarkastella tätä järjestelmää yksittäisenä atomi ja yhden paikan tasolla hilassa ja ota “tilannekuvia” hienovaraisista kvanttikorrelaatioista järjestelmän hiukkasten välillä”, Bakr sanoi.

Bakr ja hänen tutkimusryhmänsä ovat useiden vuosien ajan tutkineet kvanttitiloja kokeilemalla ultrakylmiä subatomisia hiukkasia, jotka tunnetaan fermioneina tyhjiökammiossa. He ovat kehittäneet hienostuneen laitteen, joka jäähdyttää atomit erittäin kylmiin lämpötiloihin ja lataa ne keinotekoisiin kiteisiin, jotka tunnetaan optisina hiloina, jotka on luotu lasersäteiden avulla. Tämä järjestelmä on auttanut tutkijoita tutkimaan monia mielenkiintoisia kvanttimaailman näkökohtia, joihin liittyy vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ryhmien ilmenevää käyttäytymistä.

Teoreettinen perusta ja kokeellinen näkemys

Varhainen teoreettisesti ehdotettu magnetismin mekanismi, joka loi perustan ryhmän nykyisille kokeille, tunnetaan nimellä Nagaoka ferromagnetismi, joka on nimetty sen löytäjän Yosuke Nagaokan mukaan. Ferromagneetit ovat sellaisia, joissa elektronien spin-tilat osoittavat samaan suuntaan.

Vaikka ferromagneetti, jolla on kohdistetut spinit, on tutuin magneettityyppi, yksinkertaisimmassa teoreettisessa asetelmassa hilassa voimakkaasti vuorovaikuttavat elektronit pyrkivät itse asiassa kohti antiferromagnetismia, jossa spinit kohdistuvat vuorotellen. Tämä naapurispinien anti-kohdistus johtuu naapurielektroni spinien epäsuorasta kytkennästä, joka tunnetaan supervaihtona.

Nagaoka kuitenkin teoriassa, että ferromagnetismi voi johtua myös täysin erilaisesta mekanismista, joka määräytyy tarkoituksellisesti lisättyjen epäpuhtauksien tai lisäaineiden liikkeestä. Tämä ymmärretään parhaiten kuvittelemalla kaksiulotteinen neliöhila, jossa jokaisessa hilakohdassa, yhtä poikkeusta lukuun ottamatta, on elektroni. Tyhjä paikka (tai reikäseostusaine) vaeltelee hilan ympärillä.

Nagaoka havaitsi, että jos reikä liikkuu tasaisten pyörien tai ferromagneetin ympäristössä, reiän liikkeen eri liikeradat häiritsevät kvanttimekaanisesti toisiaan. Tämä parantaa reiän kvanttiaseman hajoamista ja vähentää liike-energiaa, mikä on suotuisa tulos.

Nagaokan perintö ja moderni kvanttimekaniikka

Nagaokan lause sai nopeasti tunnustusta, koska on vain vähän tiukkaa näyttöä, joka selittäisi järjestelmien, joissa on vahvasti vuorovaikutuksessa elektroneja, perustiloja. Seurausten havaitseminen kokein oli kuitenkin vaikea haaste mallin tiukkojen vaatimusten vuoksi. Lauseen mukaan vuorovaikutusten oli oltava äärettömän vahvoja, ja vain yksi dopingaine oli sallittu. Yli viisi vuosikymmentä sen jälkeen, kun Nagaoka ehdotti teoriaansa, muut tutkijat ymmärsivät, että näitä epärealistisia olosuhteita voitaisiin lieventää merkittävästi kolmiogeometriassa olevissa hilassa.

Kvanttikoe ja sen vaikutukset

Kokeen suorittamiseen tutkijat käyttivät litium-6-atomien höyryjä. Tämä litiumin isotooppi sisältää kolme elektronia, kolme protonia ja kolme neutronia. “Pariton kokonaisluku tekee tästä fermionisen isotoopin, mikä tarkoittaa, että atomit käyttäytyvät samalla tavalla kuin elektronit kiinteässä olomuodossa”, sanoi Benjamin Spar, Princetonin yliopiston fysiikan jatko-opiskelija ja artikkelin toinen johtaja.

Kun nämä kaasut jäähdytetään lasersäteillä äärilämpötiloihin, jotka ovat vain muutaman asteen miljardisosaa korkeampia täysin nollaheidän käyttäytymistään alkavat ohjata kvanttimekaniikan periaatteet tutumman klassisen mekaniikan sijaan.

Kvanttitilojen tutkiminen kylmien atomien kautta

“Kun olemme saavuttaneet tämän kvanttijärjestelmän, seuraava asia, jonka teemme, on ladata atomit kolmiomaiseen optiseen hilaan. Kylmäatomiasetuksessa voimme hallita, kuinka nopeasti atomit liikkuvat tai kuinka voimakkaasti ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään, ” sanoi Spar.

Monissa voimakkaasti vuorovaikutteisissa järjestelmissä hilan hiukkaset on järjestetty “Mott-eristimeen”, joka on aineen tila, jossa yksi hiukkanen miehittää hilan joka paikan. Tässä tilassa on heikkoja antiferromagneettisia vuorovaikutuksia, jotka johtuvat supervaihdosta elektronien spinien välillä vierekkäisissä paikoissa. Mutta Mott-eristeen sijaan tutkijat käyttivät “dopingiksi” kutsuttua tekniikkaa, joka joko poistaa joitain hiukkasia jättäen siten “reikiä” hilaan tai lisää ylimääräisiä hiukkasia.

Kvanttimagnetismin uusien muotojen löytäminen

“Emme aloita yhdellä atomilla paikkaa kohti kokeessamme”, Bakr sanoi. “Sen sijaan teemme ruudukon reikiä tai hiukkasia. Ja kun teet tämän, huomaat, että näissä korkeamman energiaskaalan järjestelmissä havaitaan paljon vahvempi magnetismin muoto kuin tavallinen supervaihtomagnetismi. Tämä energiaasteikko liittyy hilassa olevien atomien hyppimiseen.”

Hyödyntämällä paljon suurempia hilavälit optisissa hilassa verrattuna todellisiin materiaaleihin, tutkijat pystyivät näkemään, mitä tapahtui yhden paikan tasolla optisella mikroskoopilla. He havaitsivat, että tästä uudesta magnetismin muodosta vastaavat esineet ovat uudentyyppisiä magneettisia polaroneja.

Polaronien rooli kvanttijärjestelmissä

“Polaroni on kvasihiukkanen, joka syntyy kvanttijärjestelmässä, jossa on monia vuorovaikutuksessa olevia aineosia”, Bakr sanoi. “Se toimii hyvin kuin tavallinen hiukkanen siinä mielessä, että sillä on ominaisuuksia, kuten varaus, spin ja tehollinen massa, mutta se ei ole todellinen hiukkanen kuin atomi. Tässä tapauksessa se on lisäaine, joka liikkuu sen magneettisen ympäristön häiriötä tai kuinka sen ympärillä olevat spinit ovat kohdakkain suhteessa toisiinsa.”

Todellisissa materiaaleissa tätä uutta magnetismin muotoa on havaittu aiemmin ns. moiré-materiaaleissa, jotka koostuvat pinotuista kaksiulotteisista kiteistä, ja tämä on tapahtunut vasta viimeisen vuoden aikana.

Sukella syvemmälle kvanttimagnetismiin

“Näille materiaaleille saatavilla olevat magnetismianturit ovat rajallisia. Moiré-materiaaleilla tehdyt kokeet ovat mittaaneet makroskooppisia vaikutuksia, jotka liittyvät siihen, kuinka suuri kappale reagoi magneettikenttään”, sanoi Spar “Kylmän atomin asennuksessa kaivamme syvälle mikroskooppinen fysiikka, joka vastaa magnetismista. Olemme ottaneet yksityiskohtaisia ​​kuvia, jotka paljastavat spin-korrelaatiot liikkuvien lisäaineiden ympärillä. Havaitsemme esimerkiksi, että reikäseostusaine ympäröi itsensä tasaantumattomilla kierroksilla liikkuessaan, kun taas hiukkasseostusaine tekee päinvastoin ja ympäröi itsensä kohdistetuilla spineillä.”

Tällä tutkimuksella on kauaskantoisia vaikutuksia kondensoituneen aineen fysiikkaan, jopa magnetismin fysiikan ymmärtämistä pidemmälle. Esimerkiksi näiden polaronien monimutkaisempien versioiden on oletettu johtavan mekanismeihin, joissa reikäseostusaineet voivat pariutua, mikä voi johtaa suprajohtavuuteen korkeissa lämpötiloissa.

Kvanttimagnetismin tutkimuksen tulevaisuuden suunnat

“Järjestävin osa tässä tutkimuksessa on, että se on todella rinnakkainen tiivisteyhteisön tutkimusten kanssa”, sanoi Max Prichard, jatko-opiskelija ja paperin toinen kirjoittaja. “Meillä on ainutlaatuinen asema tarjota näkemys oikea-aikaiseen ongelmaan täysin eri näkökulmasta, ja kaikki osapuolet hyötyvät siitä.”

Tulevaisuudessa tutkijat suunnittelevat jo uusia ja innovatiivisia tapoja tutkia edelleen tätä uutta, eksoottista magnetismin muotoa – ja tutkia spin-polaronia yksityiskohtaisemmin.

Seuraava askel Polaron-tutkimuksessa

“Tässä ensimmäisessä kokeessa olemme yksinkertaisesti ottaneet tilannekuvia polaronista, mikä on vasta ensimmäinen askel”, Prichard sanoi. “Mutta olemme nyt kiinnostuneita polaronien spektroskopiamittauksesta. Haluamme nähdä kuinka kauan polaronit elävät vuorovaikutuksessa olevassa järjestelmässä, mitata energiaa, joka sitoo polaronin ainesosat yhteen, ja sen tehollisen massan, kun se etenee polaronissa. verkkoon on paljon muutakin tehtävää.”

Muut tiimin jäsenet ovat Zoe Yan, nyt mukana Chicagon yliopistoja teoreetikot Ivan Morera, Barcelonan yliopisto, Espanja, ja Eugene Demler, teoreettisen fysiikan instituutti Zürichissä, Sveitsissä. Kokeellista työtä tukivat National Science Foundation, Army Research Office sekä David and Lucile Packardin säätiö.

Viite: “Spin-polaronien suora kuvantaminen kineettisesti turhautuneessa Hubbard-järjestelmässä”, kirjoittaneet Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan ja Waseem S. Bakr, 8. toukokuuta 2024, Luonto.
DOI: 10.1038/s41586-024-07356-6

Leave a Reply

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