Kvantemagneter dopet med huller

Generelt, faststoffysikere er ikke i stand til at adskille de to processer, så de kan ikke svare på spørgsmålet, om den magnetiske rækkefølge faktisk er reduceret, eller om det bare er skjult.

MPQ-forskere afslører skjult magnetisk orden i endimensionelle kvantekrystaller, der er dopet med huller.

Magnetisme er et fænomen, som vi ofte oplever i dagligdagen. Ejendommen, som observeres i materialer som f.eks. jern, skyldes justering af elektronspins. Endnu mere interessante effekter forventes, hvis de magnetiske krystaller udviser huller, dvs. gittersteder, der ikke er optaget af en elektron. På grund af samspillet mellem defektens bevægelse og de elektroniske spins magnetiske korrelationer, den magnetiske orden synes at være undertrykt. Generelt, faststoffysikere er ikke i stand til at adskille de to processer, så de kan ikke svare på spørgsmålet, om den magnetiske rækkefølge faktisk er reduceret, eller om det bare er skjult.

Nu har et team af forskere omkring Dr. Christian Groß fra Division Quantum Many-Body Systems Division (direktør professor Immanuel Bloch) ved Max Planck Institute of Quantum Optics demonstreret, at magnetiske orden i endimensionelle kvantemagneter bevares, selv når de er dopet med huller-en direkte manifestation af spin-ladning (densitet) adskillelse. Kvantekrystallerne blev fremstillet af kæder af ultrakølede atomer i et optisk gitter. Observationen blev muliggjort med et unikt værktøj, der gør det muligt at spore hullers bevægelse og spin -excitationer separat i en måleproces (Science, 4. august 2017). I det næste trin planlægger forskerne at udvide metoden til todimensionale systemer. Her er interaktionen mellem huller og magnetiske korrelationer langt mere kompleks. Det kan føre til påvisning af eksotiske mangekropsfaser, der kan være ansvarlige for forekomsten af ​​høj temperatur superledning.

Garching-teamet starter med at køle et ensemble af fermioniske lithium-6-atomer ned til ekstremt lave temperaturer, en milliontedel af en Kelvin over absolut nul. Atomer fanges derefter i et enkelt plan i et todimensionalt optisk gitter, der er skabt af laserstråler. Flyet er igen opdelt i omkring 10 endimensionelle rør, langs hvilke atomerne kan bevæge sig. I det sidste trin, rørene er overlejret med et optisk gitter, der efterligner det periodiske potentiale, som elektroner ser i et reelt materiale. I analogi med elektroner bærer lithiumatomer et spin-1/2 (eller magnetisk moment), som kan pege enten opad eller nedad. I et tidligere eksperiment med et lignende system har forskerne vist, at under en bestemt temperatur justeres de magnetiske momenter for nærliggende atomer i modsatte retninger, så der opstår antiferromagnetiske korrelationer.

I opfølgningsforsøget undersøger de hullers indflydelse på kvantekrystalets rækkefølge. "Vi opnår en vis hulledopning ved at sikre, at antallet af atomer, der er indlæst i det optiske gitter, er mindre end antallet af gittersteder, "siger Timon Hilker, første forfatter og doktorand ved forsøget. "Nu opstår spørgsmålene, om hullerne er fastgjort, eller om de kan bevæge sig, og hvordan de påvirker systemets magnetiske rækkefølge. "

Vi kender alle følgende situation:hvis et sæde i midten af ​​en række i et teater forbliver tomt, et træk går gennem mængden:en efter en, publikumets medlemmer rykker op - med andre ord:hullet vandrer. Noget lignende kan observeres i den syntetiske kvantekrystal ved hjælp af kvantgasmikroskopet, der viser den præcise position af hvert enkelt atom eller defekt på deres respektive gittersteder. "Imidlertid, meget i kontrast til den tomme stol i teatret, hullerne i kvantekrystallet er delokaliseret. Deres placering bestemmes i det øjeblik, de måles, "Timon Hilker understreger.

Ved første øjekast skjuler atomernes udsving i det optiske gitter de antiferromagnetiske korrelationer. Men teamet til Christian Groß er i stand til at se nærmere på, fordi de har udviklet en metode til rumligt at adskille atomer med forskellige spinorienteringer. Til denne ende, det optiske gitter er overlejret med et supergitter, således at der dannes en dobbelt brønd på hvert gittersted. I kombination med en magnetisk gradient resulterer dette i et potentiale, der er afhængig af spin-orienteringen. Den store udfordring ved denne metode er at justere optisk gitter og supergitter med en præcision på et par nanometer, dvs. en brøkdel af laserbølgelængden.

"I vores system kan vi samtidig registrere huller såvel som begge spin -tilstande, "Dr. Christian Groß, projektleder, påpeger. "Vi kan direkte undersøge miljøet i hvert hul. Vi observerer, at ordren generelt bevares, dvs. at omdrejningerne til venstre og højre naboatom er anti-justeret. Fordi billederne viser hvert spin og hvert hul, vi er i stand til, om at tale, 'tag hullerne ud' i vores evaluering. Sådanne ikke-lokale målinger er eksperimentelt nyt territorium og åbner nye perspektiver for undersøgelse af eksotiske faser af stof. "

Nu planlægger forskerne at anvende denne metode på todimensionale kvantekrystaller, der er dopet med huller. Dette ville være en ny tilgang til at simulere todimensionale hulledopede systemer af korrelerede elektroner. Eksperimenter af den slags kunne føre til en bedre forståelse af den såkaldte højtemperatur-superledning, som blev opdaget for 30 år siden. Navnet beskriver effekten, at i visse forbindelser med lag indeholdende kobber forsvinder den elektriske modstand allerede over kogetemperaturen for flydende nitrogen. Samspillet mellem defekter og antiferromagnetiske korrelationer menes at spille en vigtig rolle i dette forvirrende fænomen.