Fizikai iš Prinstono universitetas Jie tiesiogiai pavaizdavo mikroskopinį objektą, atsakingą už šį magnetizmą, neįprastą polarono tipą.

Ne visi magnetai yra vienodi. Kai galvojame apie magnetizmą, dažniausiai galvojame apie magnetus, kurie prilimpa prie šaldytuvo durelių. Šių tipų magnetų elektroninė sąveika, sukelianti magnetizmą, buvo suprantama maždaug šimtmetį, nuo pirmųjų kvantinės mechanikos dienų. Tačiau gamtoje yra daug įvairių magnetizmo formų, ir mokslininkai vis dar atranda mechanizmus, kurie jas skatina.

Dabar Prinstono universiteto fizikai padarė didelę pažangą suprasdami magnetizmo formą, vadinamą kinetiniu magnetizmu, naudodami itin šaltus atomus, sujungtus su lazeriu pagaminta dirbtine gardele. Jų patirtis aprašyta šią savaitę žurnale paskelbtame tyrimo dokumente gamtaTai leido tyrėjams tiesiogiai atvaizduoti mikroskopinį objektą, atsakingą už šį magnetizmą, neįprastą polarono ar kvazidalelės tipą, kuris atsiranda sąveikaujančioje kvantinėje sistemoje.

Suprasti kinetinį magnetizmą

„Tai labai įdomu”, – sakė Prinstono universiteto fizikos profesorius ir pagrindinis tyrimo autorius Waseemas Bakras. „Magnetizmo kilmė yra susijusi su priemaišų judėjimu atominėje matricoje, taigi ir pavadinimas Kinetika Magnetizmas. Šis judėjimas yra labai neįprastas ir sukelia stiprų magnetizmą net esant labai aukštai temperatūrai. Kartu su galimybe derinti magnetizmą su dopingu – pridedant arba pašalinant daleles – kinetinis magnetizmas yra labai perspektyvus prietaisų taikymui tikrose medžiagose.

Bakras ir jo komanda ištyrė šią naują magnetizmo formą detaliau, kurios nebuvo pasiekta ankstesniuose tyrimuose. Dėl itin šaltų atominių sistemų teikiamos kontrolės mokslininkai pirmą kartą sugebėjo vizualizuoti tikslią fiziką, kuri sukelia kinetinį magnetizmą.

Prinstono universiteto mokslininkai tiesiogiai vaizdavo mikroskopinę naujo tipo magnetizmo kilmę. Vaizdo kreditas: Max Pritchard, Waseem Bakr kolekcija Prinstono universitete

Pažangūs įrankiai kvantiniams atradimams

„Mes savo laboratorijoje turime galimybę pažvelgti į šią sistemą atskirai kukurūzai „Tyrėjai stebi vienos vietos tinkle lygį ir fotografuoja tikslias kvantines koreliacijas tarp dalelių sistemoje“, – sakė Bakeris.

Keletą metų Bakras ir jo tyrimų grupė tyrė kvantines būsenas eksperimentuodami su ultrašaltomis subatominėmis dalelėmis, vadinamomis fermionais vakuuminėje kameroje. Jie sukūrė sudėtingą įrenginį, kuris atšaldo atomus iki kriogeninės temperatūros ir laiko juos dirbtiniuose kristaluose, vadinamuose optinėmis grotelėmis, sukurtomis naudojant lazerius. Ši sistema leido tyrėjams ištirti daugybę įdomių kvantinio pasaulio aspektų, įskaitant atsirandantį sąveikaujančių dalelių grupių elgesį.

Teoriniai pagrindai ir eksperimentinės įžvalgos

Vienas iš ankstyvųjų teoriškai pasiūlytų magnetizmo mechanizmų, padėjęs pagrindą dabartiniams komandos eksperimentams, yra žinomas kaip Nagaokos feromagnetizmas, pavadintas jo atradėjo Yosuke Nagaoka vardu. Feromagnetai yra tie, kuriuose visos elektronų sukimosi būsenos nukreiptos ta pačia kryptimi.

Nors feromagnetas su suderintais sukimais yra labiausiai paplitęs magnetų tipas, paprasčiausias teorinis nustatymas stipriai sąveikaujantys gardelės elektronai iš tikrųjų linkę į antiferomagnetizmą, o sukiniai išsirikiuoja kintančiomis kryptimis. Ši pirmenybė priešintis gretimų sukinių išlyginimui atsiranda dėl netiesioginio gretimų elektronų sukinių, žinomų kaip supermainos, sujungimo.

Tačiau Nagaoka iškėlė teoriją, kad feromagnetizmas taip pat gali atsirasti dėl visiškai kitokio mechanizmo, nulemto sąmoningai pridėtų priemaišų judėjimo arba dopingo. Tai geriausiai galima suprasti įsivaizduojant dvimatę kvadratinę gardelę, kurioje kiekvieną gardelės vietą, išskyrus vieną, užima elektronas. Neužimta svetainė (ar panaši skylė) klaidžioja tinkle.

Nagaoka nustatė, kad jei skylė juda aplinkoje, kurioje yra lygiagrečių sukinių arba feromagnetų, skirtingi kvantinės skylės judėjimo keliai mechaniškai trukdo vienas kitam. Tai padidina kvantinės skylės sklidimą už vietos ribų ir sumažina kinetinę energiją, o tai yra teigiamas rezultatas.

Nagaokos palikimas ir šiuolaikinė kvantinė mechanika

Nagaokos teorija greitai sulaukė pripažinimo, nes buvo nedaug griežtų įrodymų, kurie teigė paaiškinantys stipriai sąveikaujančių elektronų sistemų pagrindines būsenas. Tačiau stebėti pasekmes atliekant eksperimentus buvo sunkus iššūkis dėl griežtų modelio reikalavimų. Teoriškai reakcijos turėtų būti be galo stiprios ir leidžiama naudoti tik vieną priedą. Per penkis dešimtmečius po to, kai Nagaoka pasiūlė savo teoriją, kiti tyrėjai suprato, kad šios nerealios sąlygos gali būti žymiai palengvintos trikampės geometrijos tinkluose.

Kvantinis eksperimentas ir jo padariniai

Eksperimentui atlikti tyrėjai naudojo ličio-6 atomų garus. Šis ličio izotopas turi tris elektronus, tris protonus ir tris neutronus. „Nelyginis bendras skaičius daro tai fermioniniu izotopu, o tai reiškia, kad atomai elgiasi panašiai kaip elektronai kietojo kūno sistemoje“, – sakė Prinstono universiteto fizikos magistrantūros studentas ir tyrimo bendraautoris Benjaminas Sparas.

Kai šios dujos lazeriais atšaldomos iki ekstremalios, vos kelių milijardųjų laipsnių temperatūros Absoliutus nulisJų elgesys pradeda paklusti kvantinės mechanikos principams, o ne labiau pažįstamai klasikinei mechanikai.

Kvantinių būsenų tyrinėjimas naudojant šalto atomo nustatymus

„Kai pasiekiame šią kvantinę sistemą, kitas dalykas, kurį darome, yra įkelti atomus į trikampę optinę gardelę“, – sako Spar: „Šalto atomo sąrankoje galime kontroliuoti, kaip greitai atomai juda arba kaip stipriai jie sąveikauja su kiekvienu kitas“.

Daugelyje labai sąveikaujančių sistemų dalelės grotelėje yra suskirstytos į „mirties izoliatorių” – materijos būseną, kurioje viena dalelė užima kiekvieną gardelės vietą. Šiuo atveju yra silpnos feromagnetinės sąveikos dėl nereikalingų mainų tarp elektronų sukinių gretimose vietose. Tačiau užuot naudoję mirštantį izoliatorių, mokslininkai naudojo metodą, vadinamą „skiepijimu“, kuris arba pašalina kai kurias molekules, todėl tinkle palieka „skyles“, arba prideda papildomų molekulių.

Naujų kvantinio magnetizmo formų atskleidimas

„Eksperimente pradedame ne nuo vienos sėklos vienoje vietoje“, – sakė Bakeris. „Vietoj to, mes uždengiame gardelę skylutėmis arba molekulėmis. Ir kai tai padarysite, pamatysite, kad šiose sistemose yra daug stipresnė magnetizmo forma, kuri stebima aukštesnėje energijos skalėje nei įprastas supermainų magnetizmas. Ši energijos skalė turi su atomais, šokinėjančiais gardelėje“.

Pasinaudoję didesniais atstumais tarp gardelės vietų optiniuose tinkluose, palyginti su tikromis medžiagomis, tyrėjai galėjo pamatyti, kas vyksta vienoje vietoje, naudojant optinę mikroskopiją. Jie nustatė, kad objektai, atsakingi už šią naują magnetizmo formą, yra naujo tipo magnetiniai poliai.

Polaronų vaidmuo kvantinėse sistemose

„Polaronas yra kvazidalelė, atsirandanti kvantinėje sistemoje su daugybe sąveikaujančių komponentų”, – sakė Bakeris. „Jis elgiasi labai panašiai kaip įprastos dalelės, o tai reiškia, kad turi tokias savybes kaip krūvis, sukimasis ir efektyvi masė, tačiau tai nėra tikroji dalelė, kaip atomas. Šiuo atveju tai yra dopingo medžiaga, kuri juda trikdžius savo magnetinę aplinką , arba kaip sukimai yra išdėstyti aplink juos vienas kito atžvilgiu.

Realiose medžiagose ši nauja magnetizmo forma anksčiau buvo pastebėta vadinamosiose muaro medžiagose, sudarytose iš sukrautų 2D kristalų, ir tai įvyko tik praėjusiais metais.

Gilinkitės į kvantinį magnetizmą

„Šioms medžiagoms prieinami magnetizmo zondai yra riboti. Eksperimentai su muaro medžiagomis išmatavo, kaip didelis medžiagos gabalas reaguoja, kai taikomas magnetinis laukas“, – sakė Spar gilintis į fiziką Mikrostruktūros, atsakingos už magnetizmą. Užfiksavome išsamius vaizdus, ​​​​atskleidžiančius mobiliojo dopingo sąsajas. Pavyzdžiui, skylėmis užpildyta aplinka judant apsupa save išlygiuojančiu sukimu, o patobulinta dalelė veikia priešingai, apsupdama nuosekliu sukimu.

Šis tyrimas turi toli siekiančių pasekmių kondensuotųjų medžiagų fizikai, net ir neapsiribojant magnetizmo fizikos supratimu. Pavyzdžiui, buvo iškelta hipotezė, kad sudėtingesnės šių polaronų versijos sukuria skylių dopingo sujungimo mechanizmus, dėl kurių gali atsirasti superlaidumas esant aukštai temperatūrai.

Kvantinio magnetizmo tyrimų ateities kryptys

„Įdomiausia šio tyrimo dalis yra tai, kad jis tikrai sutampa su kondensuotų medžiagų bendruomenės tyrimais“, – sakė Max Pritchard, magistrantūros studentas ir straipsnio bendraautorius. „Esame unikalioje padėtyje, kad galėtume laiku pateikti įžvalgą apie problemą visiškai kitu kampu, o naudos gaus visos šalys.

Žvelgdami į ateitį, mokslininkai jau sugalvoja naujų ir novatoriškų būdų toliau tyrinėti šią keistą naują magnetizmo formą ir išsamiau ištirti sukimosi poliškumą.

Tolesni Polaron tyrimų žingsniai

„Šiame pirmame eksperimente mes tiesiog padarėme momentines polarono nuotraukas, o tai tik pirmas žingsnis“, – sakė Pritchardas. „Tačiau dabar mus domina spektroskopinis polaronų matavimas. Norime pamatyti, kiek laiko polaronai gyvena sąveikaujančioje sistemoje, išmatuoti elektrodų komponentus rišančią energiją ir jų efektyviąją masę, kai jie sklinda gardelėje. Yra daug daugiau daryti.”

Kiti komandos nariai yra Zoe Yan, dabar dalyvaujanti Čikagos universitetasir teoretikai Ivanas Moreira, Barselonos universitetas, Ispanija, ir Eugene’as Demmleris, Teorinės fizikos institutas Ciuriche, Šveicarija. Eksperimentinį darbą rėmė Nacionalinis mokslo fondas, Armijos tyrimų biuras ir Davido ir Lucile Packard fondas.

Nuoroda: Maxas L. Pritchardas, Benjaminas M. Sparas, Ivanas Moreira, Eugene’as Demmleris, Zoe Z. Yan ir Wasim S. „Tiesioginis sukimosi polių vaizdavimas kinetiškai nusivylusioje Habardo sistemoje“. Bakras, 2024 m. gegužės 8 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6