Kvantesimulatorer løser fysikgåder med farvede prikker
Ved at analysere billeder lavet af farvede prikker skabt af kvantesimulatorer har ETH-forskere studeret en særlig form for magnetisme. I fremtiden kan denne metode også bruges til at løse andre fysikgåder, for eksempel i superledningsevne.
Tæt på ligner det masser af farvede prikker, men på afstand ser man et komplekst billede rigt på detaljer:Ved hjælp af pointillismens teknik skabte George Seurat i 1886 mesterværket "En søndag eftermiddag på øen La Grande Jatte." På lignende måde studerer Eugene Demler og hans kolleger ved ETH Zürich komplekse kvantesystemer lavet af mange interagerende partikler. I deres tilfælde skabes prikkerne ikke ved at duppe en pensel, men derimod ved at gøre individuelle atomer synlige i laboratoriet.
Sammen med kolleger i Harvard og Princeton har Demlers gruppe nu brugt den nye metode – som de kalder "kvantepointillisme" – til at se nærmere på en særlig form for magnetisme.
Forskerne har netop offentliggjort deres resultater i to artikler i tidsskriftet Nature med titlerne "Observation af Nagaoka-polaroner i en Fermi–Hubbard kvantesimulator" og "Direkte billeddannelse af spin-polaroner i et kinetisk frustreret Hubbard-system."
Paradigmeskift i forståelse
"Disse undersøgelser repræsenterer et paradigmeskift i vores forståelse af sådanne magnetiske kvantefænomener. Indtil nu har vi ikke været i stand til at studere dem i detaljer," siger Demler. Det hele startede for omkring to år siden på ETH. Gruppen af Ataç Imamoğlu undersøgte eksperimentelt specielle materialer med et trekantet krystalgitter (moiré-materialer lavet af overgangsmetal dichalcogenider).
Da Demler og hans postdoc Ivan Morera analyserede Imamoğlus data, stødte de på en ejendommelighed, der antydede en slags magnetisme, som tidligere kun var blevet forudsagt teoretisk.
"I denne kinetiske magnetisme kan nogle få elektroner, der bevæger sig inde i krystalgitteret, magnetisere materialet," forklarer Morera.
I Imamoğlus eksperiment kunne denne effekt, kendt som Nagaoka-mekanismen blandt eksperter, for første gang påvises i et fast stof ved blandt andet at måle den magnetiske følsomhed – det vil sige hvor kraftigt materialet reagerer på et eksternt magnetfelt.
"Den påvisning var baseret på meget stærke beviser. For et direkte bevis ville man dog skulle måle elektronernes tilstand - deres position og spin-retning - samtidigt flere steder inde i materialet," siger Demler.
Komplekse processer synliggjort
I et fast stof er dette dog ikke muligt med konventionelle metoder. Forskere kan højst bruge røntgen- eller neutrondiffraktion til at finde ud af, hvordan elektronernes spins forholder sig til hinanden i to positioner – den såkaldte spin-korrelation. Korrelationer mellem komplekse spin-arrangementer og yderligere eller manglende elektroner kan ikke måles på denne måde.
For stadig at synliggøre de komplekse processer i Nagaoka-mekanismen, som Demler og Morera havde beregnet ved hjælp af en model, henvendte de sig til kolleger i Harvard og Princeton. Der har forskerhold ledet af Markus Greiner og Waseem Bakr udviklet kvantesimulatorer, der kan bruges til præcist at genskabe forholdene inde i et fast stof.
I stedet for at elektroner bevæger sig inde i et gitter lavet af atomer, bruger de amerikanske forskere i sådanne simulatorer ekstremt kolde atomer fanget inde i et optisk gitter lavet af lysstråler. De matematiske ligninger, der beskriver elektronerne inde i det faste stof og atomerne inde i det optiske gitter, er dog næsten identiske.
Farvede snapshots af kvantesystemet
Ved hjælp af et stærkt forstørrende mikroskop var Greiners og Bakrs grupper i stand til ikke kun at opgøre de enkelte atomers positioner, men også deres spin-retninger. De oversatte informationen opnået fra disse snapshots af kvantesystemet til farvet grafik, der kunne sammenlignes med de teoretiske pointillistiske billeder.
Demler og hans kolleger havde for eksempel teoretisk beregnet, hvordan en enkelt ekstra elektron i Nagaoka-mekanismen danner et par med en anden elektron med modsat spin og derefter bevæger sig gennem materialets trekantede gitter som en dobbel.
Ifølge forudsigelsen fra Demler og Morera skulle denne dobbelton være omgivet af en sky af elektroner, hvis spin-retninger er parallelle eller ferromagnetiske. Sådan en sky er også kendt som en magnetisk polaron.
Det er præcis, hvad de amerikanske forskere så i deres forsøg. Desuden, hvis der manglede et atom i det optiske krystalgitter i kvantesimulatoren - hvilket svarer til en manglende elektron eller "hul" i den rigtige krystal - så bestod skyen, der dannede sig omkring det hul, af par af atomer, hvis spin pegede modsat. retninger, præcis som Demler og Morera havde forudsagt.
Denne antiferromagnetiske orden (eller mere præcist:antiferromagnetiske korrelationer) var også tidligere blevet detekteret indirekte i et solid state eksperiment på Cornell University i USA. I kvantesimulatoren blev den nu direkte synlig.
"For første gang har vi løst et fysikpuslespil ved hjælp af eksperimenter både på det 'rigtige' faststof såvel som i kvantesimulatoren. Vores teoretiske arbejde er limen, der holder alt sammen," siger Demler. Han er overbevist om, at hans metode i fremtiden også vil være nyttig til at løse andre vanskelige problemer.
For eksempel kan mekanismen, der får den magnetiske polaronsky til at dannes, også spille en vigtig rolle i højtemperatursuperledere.
Flere oplysninger: Martin Lebrat et al., Observation af Nagaoka-polaroner i en Fermi-Hubbard kvantesimulator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07272-9
Max L. Prichard et al., Direkte billeddannelse af spin-polaroner i et kinetisk frustreret Hubbard-system, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07356-6
Journaloplysninger: Natur
Leveret af ETH Zürich
Varme artikler
-
Skræddersyet meta-gitter af nanopartikler, der øger ydeevnen af lysemitterende dioderSkematisk repræsentation (ikke i skala) i midten afbilder en LED med et meta-gitter af plasmoniske (f.eks. ædelmetalliske) nanopartikler, som er meget mindre end bølgelængden af udsendt lys. Placeri -
Fysikere implementerer en version af Maxwells berømte tankeeksperiment for at reducere entropiReducerende entropi i et tilfældigt halvt fyldt 5x5x5 gitter af atomer. Hver række viser et øjebliksbillede af de 5 fly i gitteret. Den øverste række viser den indledende tilfældige fordeling af atome -
Under radaren:Søger efter snigende supersymmetriKredit:CERN Standardmodellen for partikelfysik indkapsler vores nuværende viden om elementarpartikler og deres interaktioner. Standardmodellen er ikke komplet; for eksempel, den beskriver ikke obs -
Smalle glastråde synkroniserer lysemissionerne fra fjerne atomerEn optisk nanofiber muliggør interaktioner mellem fjerne atomer, giver dem mulighed for at synkronisere deres lysemissioner. Kredit:E. Edwards/JQI Hvis du råber ad nogen på tværs af din gård, lyde