Strakt kvantemagnetisme afdækket ved kvantesimulering

Ved at studere ultrakølede atomer fanget i kunstige krystaller af lys, Guillaume Salomon, en postdoc ved Max-Planck-Institute of Quantum Optics og et team af forskere har været i stand til direkte at observere en grundlæggende effekt af endimensionale kvantesystemer. Ved at opdage atomerne en efter en, holdet observerede en strækning af den magnetiske ordning ved fortynding af atomerne i gitteret. Undersøgelsen blev udført i år i divisionen ledet af Immanuel Bloch, en direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics og professor ved Ludwig Maximilians University i München. De nye fund er relevante, for eksempel, i forbindelse med høj temperatur superledere, der leder elektricitet uden tab.

"Et afgørende problem i forbindelse med høj temperatur superledning er at forstå samspillet mellem magnetisme og doping, hvorfra eksotiske elektroniske faser kan komme. Imidlertid, vores viden er stærkt afhængig af systemets dimensionalitet, og kvantegasforsøg kan bidrage til at bygge bro mellem en og to dimensioner, "siger Guillaume Salomon, der har været involveret i forskning på dette område siden 2014.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne ved Max Planck Institute of Quantum Optics, sammen med forskere fra fysikafdelingerne ved Ludwig Maximilians University og University of Trento fanget en sky af lithium-6 atomer ved 7 nanokelvin i en lys krystal for at realisere en velkontrolleret og ren Fermi-Hubbard-model.

Fermi-Hubbard-modellen er den enkleste model for elektroniske systemer, hvor interaktioner spiller en vigtig rolle (dvs. stærkt korrelerede systemer). Det beskriver spin up eller spin down atomer i et gitter, der kun frastødende interagerer, hvis de er placeret på det samme sted. Når der i gennemsnit er et atom på hvert sted, antiferromagnetisk ordning opstår, hvor spins på tilstødende steder er anti-justeret.

Når systemet er fortyndet, antallet af atomer i gitteret reduceres (dopet), og periodiciteten af ​​denne magnetiske rækkefølge ændrer sig som en harmonika, der bliver strakt. I stedet for at finde modsatte spins på nabosteder, man vil finde dem anti-justeret på større afstande i gennemsnit. Spin -korrelationerne siges derefter at være uforenelige. En sådan effekt forventes også at forekomme, når antallet af op- og ned -spins er forskellige (spin -polarisering).

Forskerne brugte en teknik kaldet spin-resolved quantum gas microscopy, som gør det muligt at forestille sig både atomernes positioner og centrifugeringer samtidigt, og for at måle spin -korrelationer. De observerede fremkomsten af ​​sådanne inkommensurate spin -korrelationer, der viste sig at variere lineært med doping og polarisering, i god overensstemmelse med teoretiske forudsigelser.

"Den mest fascinerende del af dette forskningsprojekt har været frakobling af virkningerne af spin-polarisering og doping på spin-korrelationer i en dimension, hvor spin-ladningsseparation forekommer. Evnen til at måle alle spins og partikelpositioner i en stærkt korreleret kvante mange-kropssystem giver os mulighed for at beregne vilkårlige korrelationsfunktioner, der ligner numeriske undersøgelser på en computer og kvantitativt teste fundamentale forudsigelser på trods af vores systemers begrænsede temperatur, ”Forklarer Salomon.

"I slutningen af ​​denne undersøgelse, vi observerede i den dopede Fermi-Hubbard-model grundlæggende forskelle mellem en dimension og to dimensioner. Vores resultater er et vigtigt benchmark for yderligere undersøgelser af det dimensionelle crossover -regime, der er meget lidt kendt indtil nu, "tilføjer Christian Gross, der leder forskningsgruppen.