Princeton fizikçileri kinetik manyetizmanın sırlarını açığa çıkarıyor

Fizikçiler Princeton Üniversitesi Alışılmadık bir tür polaron olan bu manyetizmadan sorumlu mikroskobik nesneyi doğrudan görüntülediler.

Bütün mıknatıslar aynı değildir. Manyetizma deyince aklımıza genellikle buzdolabı kapısına yapışan mıknatıslar gelir. Bu tür mıknatıslar için, manyetizmaya yol açan elektronik etkileşimler, kuantum mekaniğinin ilk günlerinden bu yana, yaklaşık bir asırdır anlaşılmaktadır. Ancak doğada manyetizmanın pek çok farklı biçimi vardır ve bilim insanları hâlâ bunları yönlendiren mekanizmaları keşfediyor.

Princeton Üniversitesi’nden fizikçiler, lazerle yapılmış yapay bir kafese bağlanan aşırı soğuk atomları kullanarak, kinetik manyetizma olarak bilinen bir manyetizma biçimini anlama konusunda önemli ilerleme kaydettiler. Deneyimleri bu hafta dergide yayınlanan bir araştırma makalesinde anlatılıyor doğaAraştırmacıların, etkileşimli bir kuantum sisteminde ortaya çıkan, alışılmadık bir tür polaron veya yarı parçacık olan bu manyetizmadan sorumlu mikroskobik nesneyi doğrudan görüntülemesine olanak sağladı.

Kinetik manyetizmayı anlamak

Princeton Üniversitesi’nde fizik profesörü ve çalışmanın baş yazarı Waseem Bakr, “Bu çok heyecan verici” dedi. “Manyetizmanın kökenleri atom matrisindeki safsızlıkların hareketi ile ilgilidir, dolayısıyla adı da buradan gelir. Kinetik Manyetizma. Bu hareket son derece sıra dışıdır ve çok yüksek sıcaklıklarda bile güçlü bir manyetizma ile sonuçlanır. Manyetizmayı katkılama (parçacık ekleme veya çıkarma) ile ayarlama olanağıyla birleştiğinde kinetik manyetizma, gerçek malzemelerdeki cihaz uygulamaları için oldukça umut vericidir.

Bakr ve ekibi, manyetizmanın bu yeni biçimini önceki araştırmalarda elde edilemeyen bir ayrıntı düzeyinde inceledi. Ultra soğuk atom sistemlerinin sağladığı kontrol sayesinde araştırmacılar ilk kez kinetik manyetizmaya yol açan kesin fiziği görselleştirmeyi başardılar.

Princeton Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yeni bir tür manyetizmanın mikroskobik kökenlerini doğrudan görüntülediler. Resim kredisi: Max Pritchard, Princeton Üniversitesi’ndeki Waseem Bakr Koleksiyonu

Kuantum keşifleri için gelişmiş araçlar

“Laboratuvarımızda bu sistemi tek tek inceleme olanağımız var Mısır Baker, “Araştırmacılar ağdaki tek bir konumun seviyesini izliyor ve sistemdeki parçacıklar arasındaki kesin kuantum korelasyonlarının anlık görüntülerini alıyor” dedi.

Bekr ve araştırma ekibi birkaç yıldır, bir vakum odasında fermiyonlar olarak bilinen ultra soğuk atom altı parçacıklarla deneyler yaparak kuantum durumları üzerinde çalışıyor. Atomları kriyojenik sıcaklıklara soğutan ve onları lazerler kullanılarak oluşturulan optik kafesler olarak bilinen yapay kristallerde tutan karmaşık bir cihaz yarattılar. Bu sistem, araştırmacıların, etkileşim halindeki parçacık gruplarının ortaya çıkan davranışları da dahil olmak üzere, kuantum dünyasının birçok ilginç yönünü keşfetmesine olanak tanıdı.

Teorik temeller ve deneysel görüşler

Ekibin mevcut deneylerinin temelini oluşturan manyetizma için teorik olarak önerilen ilk mekanizmalardan biri, adını kaşifi Yosuke Nagaoka’dan alan Nagaoka ferromanyetizması olarak biliniyor. Ferromıknatıslar, tüm elektron dönüş durumlarının aynı yöne işaret ettiği mıknatıslardır.

Hizalanmış dönüşlere sahip bir ferromıknatıs en yaygın mıknatıs türü olmasına rağmen, en basit teorik ortamda, kafes üzerinde güçlü bir şekilde etkileşime giren elektronlar, dönüşlerin alternatif yönlerde sıralanmasıyla aslında antiferromanyetizmaya eğilimlidir. Komşu spinlerin hizalanmasına direnme tercihi, süper değişim olarak bilinen komşu elektron spinlerinin dolaylı bağlanmasının bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Ancak Nagaoka, ferromanyetizmanın tamamen farklı bir mekanizmadan kaynaklanabileceğini, kasıtlı olarak eklenen safsızlıkların veya dopingin hareketiyle belirlenen bir mekanizmanın sonucu olabileceğini teorileştirdi. Bu en iyi şekilde, biri hariç her kafes bölgesinin bir elektron tarafından işgal edildiği iki boyutlu bir kare kafes hayal edilerek anlaşılabilir. Boş bir site (veya benzer bir delik) ağda dolaşıyor.

Nagaoka, deliğin paralel dönüşlerin veya ferromıknatısların olduğu bir ortamda hareket etmesi durumunda, kuantum deliğin hareketinin farklı yollarının mekanik olarak birbirine müdahale ettiğini buldu. Bu, kuantum deliğinin saha dışına yayılmasını arttırır ve kinetik enerjiyi azaltır; bu da olumlu bir sonuçtur.

Nagaoka Mirası ve Modern Kuantum Mekaniği

Nagaoka’nın teorisi hızla tanındı çünkü güçlü etkileşime giren elektronlardan oluşan sistemlerin temel durumlarını açıkladığını iddia eden çok az kesin kanıt vardı. Ancak sonuçların deneyler aracılığıyla izlenmesi, modelin katı gereklilikleri nedeniyle zor bir işti. Teorik olarak reaksiyonlar sonsuz derecede güçlü olmalıdır ve yalnızca bir katkı maddesine izin verilir. Nagaoka’nın teorisini öne sürmesinden sonraki elli yıl boyunca diğer araştırmacılar, bu gerçekçi olmayan koşulların üçgen geometrili ağlarda önemli ölçüde hafifletilebileceğini fark ettiler.

Kuantum deneyi ve etkileri

Deneyi gerçekleştirmek için araştırmacılar lityum-6 atomlarının buharlarını kullandılar. Bu lityum izotopunun üç elektronu, üç protonu ve üç nötronu vardır. Princeton Üniversitesi’nde fizik alanında yüksek lisans öğrencisi ve çalışmanın ortak yazarlarından Benjamin Spar, “Toplam sayının tek olması, bunu fermiyonik bir izotop yapıyor, bu da atomların katı hal sistemindeki elektronlara benzer şekilde davrandığı anlamına geliyor” dedi.

Bu gazlar lazerler kullanılarak derecenin yalnızca birkaç milyarda biri kadar aşırı sıcaklıklara soğutulduğunda Tamamen sıfırDavranışları, daha tanıdık olan klasik mekanik yerine kuantum mekaniğinin ilkelerine uymaya başlar.

Soğuk atom ayarlarıyla kuantum durumlarını keşfetmek

Spar, “Bu kuantum sistemini elde ettiğimizde, yapacağımız bir sonraki şey atomları üçgen optik kafese yüklemek olacak” diyor ve ekliyor: “Soğuk atom düzeninde atomların ne kadar hızlı hareket ettiğini veya her biriyle ne kadar güçlü etkileşime girdiklerini kontrol edebiliriz. diğer.”

Yüksek derecede etkileşimli birçok sistemde, kafes içindeki parçacıklar, tek bir parçacığın kafesin her yerini işgal ettiği maddenin bir durumu olan bir “ölüm yalıtkanı” halinde düzenlenir. Bu durumda, bitişik bölgelerdeki elektronların dönüşleri arasındaki gereksiz değişimden dolayı zayıf ferromanyetik etkileşimler vardır. Ancak ölmekte olan bir yalıtkan kullanmak yerine araştırmacılar, bazı molekülleri uzaklaştıran ve böylece ağda “delikler” bırakan ya da ek moleküller ekleyen “aşılama” adı verilen bir teknik kullandılar.

Kuantum manyetizmasının yeni biçimlerini ortaya çıkarmak

Baker, “Deneyimizde bölge başına bir tohumla başlamıyoruz” dedi. “Bunun yerine kafesi deliklerle veya moleküllerle kaplıyoruz. Ve bunu yaptığınızda, bu sistemlerde olağan süper değişim manyetizmasından daha yüksek bir enerji ölçeğinde gözlemlenen çok daha güçlü bir manyetizma formunun olduğunu keşfedersiniz. Bu enerji ölçeği, kafeste sıçrayan atomlarla ilgili.”

Gerçek malzemelerle karşılaştırıldığında optik ağlardaki kafes bölgeleri arasındaki mesafelerin daha büyük olmasından yararlanan araştırmacılar, optik mikroskop kullanarak tek bölge düzeyinde neler olduğunu görebildiler. Bu yeni manyetizma biçiminden sorumlu nesnelerin yeni bir tür manyetik kutup olduğunu buldular.

Polaronların kuantum sistemlerdeki rolü

Baker, “Polaron, birçok etkileşimli bileşenle birlikte kuantum sisteminde ortaya çıkan bir yarı parçacıktır” dedi. “Düzenli bir parçacık gibi davranır, yani yük, dönüş ve etkin kütle gibi özelliklere sahiptir, ancak atom gibi gerçek bir parçacık değildir. Bu durumda, manyetik ortamındaki bir bozulmayla hareket eden bir katkı maddesidir. veya dönüşlerin birbirlerine göre nasıl hizalandığı.

Gerçek malzemelerde, manyetizmanın bu yeni biçimi daha önce istiflenmiş 2 boyutlu kristallerden oluşan hareli malzemelerde gözlemlenmişti ve bu sadece geçen yıl gerçekleşti.

Kuantum manyetizmasını daha derinlemesine araştırın

Spar, “Bu malzemeler için mevcut olan manyetizma probları sınırlıdır. Hareli malzemelerle yapılan deneyler, büyük bir malzeme parçasının manyetik alan uygulandığında nasıl tepki verdiğiyle ilgili makroskobik etkileri ölçtü” dedi. “Soğuk atom kurulumuyla bunu yapabiliriz. Manyetizmadan sorumlu mikroyapılar fiziğinin derinliklerine inin. Mobil doping etrafındaki spin korelasyonlarını ortaya çıkaran ayrıntılı görüntüler yakaladık. Örneğin, delik dolu bir çevre, hareket ettikçe kendisini hizalanma karşıtı bir dönüşle çevrelerken, geliştirilmiş bir parçacık bunun tersini yaparak kendisini tutarlı bir dönüşle çevreler.

Bu araştırmanın yoğun madde fiziği için, hatta manyetizma fiziğini anlamanın ötesinde geniş kapsamlı çıkarımları var. Örneğin, bu polaronların daha karmaşık versiyonlarının, yüksek sıcaklıklarda süperiletkenliğe yol açabilecek delik katkılı birleştirme mekanizmalarına yol açtığı varsayılmıştır.

Kuantum manyetizma araştırmalarında gelecek yönelimler

Yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ortak yazarı Max Pritchard, “Bu araştırmanın en heyecan verici yanı, yoğun madde topluluğundaki çalışmalarla gerçekten örtüşmesidir” dedi. “Bir soruna tamamen farklı bir açıdan zamanında bilgi sağlamak için benzersiz bir konumdayız ve tüm taraflar bundan faydalanacaktır.”

Geleceğe bakan araştırmacılar, manyetizmanın bu tuhaf yeni biçimini daha fazla araştırmak ve spin polaritesini daha ayrıntılı olarak araştırmak için şimdiden yeni ve yenilikçi yollar buluyorlar.

Polaron araştırmasında sonraki adımlar

Pritchard, “Bu ilk deneyde, sadece ilk adım olan polaronun anlık fotoğraflarını çektik” dedi. “Fakat şimdi polaronları spektroskopik olarak ölçmekle ilgileniyoruz. Polaronların etkileşimli sistemde ne kadar süre yaşadığını görmek, elektrot bileşenlerini bağlayan enerjiyi ve bunların kafes içinde yayılırken etkin kütlelerini ölçmek istiyoruz. Çok daha fazlası var.” yapmak.”

Takımın diğer üyeleri şu anda Chicago Üniversitesive teorisyenler Ivan Moreira, Barselona Üniversitesi, İspanya ve Eugene Demmler, Zürih, İsviçre Teorik Fizik Enstitüsü. Deneysel çalışma Ulusal Bilim Vakfı, Ordu Araştırma Ofisi ve David ve Lucile Packard Vakfı tarafından desteklendi.

Referans: Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan ve Wasim S. tarafından yazılan “Kinetik olarak engellenmiş bir Hubbard sisteminde dönüş kutuplarının doğrudan görüntülenmesi”. Bekir, 8 Mayıs 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6