Des physiciens de Princeton dévoilent les secrets du magnétisme cinétique

Physiciens de université de Princeton Ils ont directement photographié l’objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron.

Tous les aimants ne sont pas identiques. Quand on pense au magnétisme, on pense généralement aux aimants qui collent à la porte du réfrigérateur. Pour ces types d’aimants, les interactions électroniques à l’origine du magnétisme sont comprises depuis environ un siècle, depuis les débuts de la mécanique quantique. Mais il existe de nombreuses formes différentes de magnétisme dans la nature, et les scientifiques découvrent encore les mécanismes qui les animent.

Aujourd’hui, des physiciens de l’Université de Princeton ont fait des progrès significatifs dans la compréhension d’une forme de magnétisme connue sous le nom de magnétisme cinétique, utilisant des atomes ultrafroids liés à un réseau artificiel réalisé avec un laser. Leurs expériences sont relatées dans un article de recherche publié cette semaine dans la revue natureCela a permis aux chercheurs d’imager directement l’objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron, ou quasi-particule, qui apparaît dans un système quantique en interaction.

Comprendre le magnétisme cinétique

« C’est très excitant », a déclaré Waseem Bakr, professeur de physique à l’Université de Princeton et auteur principal de l’étude. « Les origines du magnétisme sont liées au mouvement des impuretés dans la matrice atomique, d’où le nom Cinétique Magnétisme. Ce mouvement est très inhabituel et entraîne un fort magnétisme même à des températures très élevées. Combiné à la possibilité d’ajuster le magnétisme avec dopage – ajout ou suppression de particules – le magnétisme cinétique est très prometteur pour les applications de dispositifs dans des matériaux réels.

Bakr et son équipe ont étudié cette nouvelle forme de magnétisme avec un niveau de détail jamais atteint lors de recherches antérieures. Grâce au contrôle assuré par les systèmes atomiques ultrafroids, les chercheurs ont pu, pour la première fois, visualiser la physique précise à l’origine du magnétisme cinétique.

Des chercheurs de l’Université de Princeton ont directement visualisé les origines microscopiques d’un nouveau type de magnétisme. Crédit image : Max Pritchard, Collection Waseem Bakr de l’Université de Princeton

Outils avancés pour les découvertes quantiques

« Nous avons la capacité dans notre laboratoire d’examiner ce système individuellement atome « Les chercheurs surveillent le niveau d’un emplacement unique du réseau et prennent des instantanés des corrélations quantiques précises entre les particules du système », a déclaré Baker.

Depuis plusieurs années, Bakr et son équipe de recherche étudient les états quantiques en expérimentant dans une chambre à vide des particules subatomiques ultra-froides appelées fermions. Ils ont créé un dispositif sophistiqué qui refroidit les atomes à des températures cryogéniques et les maintient dans des cristaux artificiels appelés réseaux optiques créés à l’aide de faisceaux laser. Ce système a permis aux chercheurs d’explorer de nombreux aspects intéressants du monde quantique, notamment le comportement émergent de groupes de particules en interaction.

Fondements théoriques et éclairages expérimentaux

L’un des premiers mécanismes théoriques proposés pour le magnétisme et qui a jeté les bases des expériences actuelles de l’équipe est connu sous le nom de ferromagnétisme de Nagaoka, du nom de son découvreur Yosuke Nagaoka. Les ferromagnétiques sont ceux dans lesquels tous les états de spin des électrons pointent dans la même direction.

Bien qu’un ferromagnétique à spins alignés soit le type d’aimant le plus courant, dans le cadre théorique le plus simple, les électrons en forte interaction sur le réseau tendent en réalité vers l’antiferromagnétisme, les spins s’alignant dans des directions alternées. Cette préférence pour résister à l’alignement des spins voisins résulte d’un couplage indirect des spins électroniques voisins appelé superéchange.

Cependant, Nagaoka a émis l’hypothèse que le ferromagnétisme pourrait également résulter d’un mécanisme complètement différent, déterminé par le mouvement d’impuretés intentionnellement ajoutées, ou dopage. Cela peut être mieux compris en imaginant un réseau carré bidimensionnel, où chaque site du réseau est occupé par un électron, sauf un. Un site inoccupé (ou un trou similaire) parcourt le réseau.

Nagaoka a découvert que si le trou se déplace dans un environnement avec des spins parallèles ou des ferromagnétiques, les différentes trajectoires du mouvement du trou quantique interfèrent mécaniquement les unes avec les autres. Cela améliore la propagation hors site du trou quantique et réduit l’énergie cinétique, ce qui est un résultat positif.

L’héritage de Nagaoka et la mécanique quantique moderne

La théorie de Nagaoka a rapidement été reconnue car il existait peu de preuves rigoureuses prétendant expliquer les états fondamentaux des systèmes d’électrons en forte interaction. Mais surveiller les conséquences par le biais d’expériences était un défi difficile à relever en raison des exigences strictes du modèle. En théorie, les réactions devraient être infiniment fortes et un seul dopant est autorisé. Au cours des cinq décennies qui ont suivi la proposition de Nagaoka, d’autres chercheurs ont réalisé que ces conditions irréalistes pouvaient être considérablement atténuées dans les réseaux à géométrie triangulaire.

Expérience quantique et ses effets

Pour mener l’expérience, les chercheurs ont utilisé des vapeurs d’atomes de lithium-6. Cet isotope du lithium possède trois électrons, trois protons et trois neutrons. « Le nombre total impair en fait un isotope fermionique, ce qui signifie que les atomes se comportent de la même manière que les électrons dans un système à l’état solide », a déclaré Benjamin Spar, étudiant diplômé en physique à l’Université de Princeton et co-auteur de l’étude.

Lorsque ces gaz sont refroidis à l’aide de lasers à des températures extrêmes de seulement quelques milliardièmes de degré Zéro absoluLeur comportement commence à obéir aux principes de la mécanique quantique plutôt qu’à ceux de la mécanique classique plus familière.

Explorer les états quantiques à travers les paramètres des atomes froids

« Une fois que nous avons atteint ce système quantique, la prochaine chose que nous faisons est de charger les atomes dans le réseau optique triangulaire », explique Spar. « Dans une configuration à atomes froids, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle les atomes se déplacent ou la force avec laquelle ils interagissent les uns avec les autres. autre. »

Dans de nombreux systèmes hautement interactifs, les particules du réseau sont organisées dans un « isolant mortel », un état de la matière dans lequel une seule particule occupe chaque site du réseau. Dans ce cas, il existe de faibles interactions ferromagnétiques dues à un échange superflu entre les spins des électrons des sites adjacents. Mais au lieu d’utiliser un tampon mourant, les chercheurs ont utilisé une technique appelée « greffage », qui soit supprime certaines molécules, laissant ainsi des « trous » dans le maillage, soit ajoute des molécules supplémentaires.

Découvrir de nouvelles formes de magnétisme quantique

« Nous ne commençons pas avec une graine par site dans notre expérience », a déclaré Baker. « Au lieu de cela, nous recouvrons le réseau de trous ou de molécules. Et lorsque vous faites cela, vous constatez qu’il existe une forme de magnétisme beaucoup plus forte qui est observée dans ces systèmes à une échelle d’énergie plus élevée que le magnétisme de superéchange habituel. Cette échelle d’énergie a à voir avec les atomes qui sautent dans le réseau. »

En tirant parti des distances plus grandes entre les sites de réseau dans les réseaux optiques par rapport aux matériaux réels, les chercheurs ont pu voir ce qui se passait au niveau d’un site unique à l’aide de la microscopie optique. Ils ont découvert que les objets responsables de cette nouvelle forme de magnétisme sont un nouveau type de pôle magnétique.

Le rôle des polarons dans les systèmes quantiques

« Un polaron est une quasi-particule qui apparaît dans un système quantique avec de nombreux composants en interaction », a déclaré Baker. « Il se comporte comme une particule ordinaire, c’est-à-dire qu’il possède des propriétés telles que la charge, le spin et la masse effective, mais ce n’est pas une véritable particule comme un atome. Dans ce cas, il s’agit d’un matériau dopant qui se déplace avec une perturbation de son environnement magnétique. , ou comment les spins sont alignés autour d’eux les uns par rapport aux autres.

Dans les matériaux réels, cette nouvelle forme de magnétisme a déjà été observée dans des matériaux dits moirés constitués de cristaux 2D empilés, et cela ne s’est produit que l’année dernière.

Enquêter plus profondément sur le magnétisme quantique

« Les sondes magnétiques disponibles pour ces matériaux sont limitées. Les expériences avec des matériaux moirés ont mesuré les effets macroscopiques associés à la réaction d’un grand morceau de matériau lorsqu’un champ magnétique est appliqué », a déclaré Spar. « Avec la configuration à atomes froids, nous pouvons. approfondir la physique des microstructures responsables du magnétisme. Nous avons capturé des images détaillées qui révèlent les corrélations de spin autour du dopage mobile. Par exemple, un environnement rempli de trous s’entoure d’un spin anti-alignement lorsqu’il se déplace, tandis qu’une particule améliorée fait le contraire, s’entoure d’un spin cohérent.

Ces recherches ont des implications considérables pour la physique de la matière condensée, allant même au-delà de la compréhension de la physique du magnétisme. Par exemple, il a été émis l’hypothèse que des versions plus complexes de ces polarons donneraient lieu à des mécanismes de couplage par dopage de trous, qui pourraient conduire à une supraconductivité à haute température.

Orientations futures de la recherche sur le magnétisme quantique

« La partie la plus intéressante de cette recherche est qu’elle coïncide réellement avec des études menées dans la communauté de la matière condensée », a déclaré Max Pritchard, étudiant diplômé et co-auteur de l’article. « Nous sommes dans une position unique pour fournir un aperçu opportun d’un problème sous un angle complètement différent, et toutes les parties en bénéficieront. »

En regardant vers l’avenir, les chercheurs proposent déjà des moyens nouveaux et innovants pour explorer davantage cette étrange nouvelle forme de magnétisme – et étudier plus en détail la polarité de spin.

Prochaines étapes de la recherche Polaron

« Dans cette première expérience, nous avons simplement pris des instantanés du polaron, ce qui n’est que la première étape », a déclaré Pritchard. « Mais maintenant, nous souhaitons effectuer une mesure spectroscopique des polarons. Nous voulons voir combien de temps les polarons survivent dans le système en interaction, mesurer l’énergie qui lie les composants des polarons et leur masse effective à mesure qu’ils se propagent dans le réseau. Il y a beaucoup il y a plus à faire. »

Les autres membres de l’équipe sont Zoe Yan, maintenant dans Université de Chicagoet les théoriciens Ivan Moreira, Université de Barcelone, Espagne, et Eugene Demmler, Institut de physique théorique de Zurich, Suisse. Le travail expérimental a été soutenu par la National Science Foundation, le Army Research Office et la Fondation David et Lucile Packard.

Référence : « Imagerie directe des pôles de spin dans un système Hubbard cinétiquement frustré » par Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan et Wasim S. Bakr, le 8 mai 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07356-6