Los físicos de Princeton descubren los secretos del magnetismo cinético

Físicos de Universidad de Princeton Tomaron imágenes directamente del objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo inusual de polarón.

No todos los imanes son iguales. Cuando pensamos en magnetismo, normalmente pensamos en imanes que se pegan a la puerta del frigorífico. Para este tipo de imanes, las interacciones electrónicas que dan lugar al magnetismo se conocen desde hace aproximadamente un siglo, desde los primeros días de la mecánica cuántica. Pero hay muchas formas diferentes de magnetismo en la naturaleza y los científicos aún están descubriendo los mecanismos que las impulsan.

Ahora, físicos de la Universidad de Princeton han logrado avances significativos en la comprensión de una forma de magnetismo conocida como magnetismo cinético, utilizando átomos ultrafríos unidos a una red artificial hecha con un láser. Sus experiencias se relatan en un artículo de investigación publicado esta semana en la revista naturalezaPermitió a los investigadores obtener imágenes directamente del objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo inusual de polarón o cuasipartícula que aparece en un sistema cuántico en interacción.

Entendiendo el magnetismo cinético

«Esto es muy emocionante», afirmó Waseem Bakr, profesor de física en la Universidad de Princeton y autor principal del estudio. “Los orígenes del magnetismo tienen que ver con el movimiento de las impurezas en la matriz atómica, de ahí el nombre Cinética Magnetismo. Este movimiento es muy inusual y produce un fuerte magnetismo incluso a temperaturas muy altas. Combinado con la posibilidad de ajustar el magnetismo con dopaje (añadiendo o eliminando partículas), el magnetismo cinético es muy prometedor para aplicaciones de dispositivos en materiales reales.

Bakr y su equipo estudiaron esta nueva forma de magnetismo con un nivel de detalle no alcanzado en investigaciones anteriores. Gracias al control proporcionado por los sistemas atómicos ultrafríos, los investigadores pudieron, por primera vez, visualizar la física precisa que da origen al magnetismo cinético.

Investigadores de la Universidad de Princeton han obtenido imágenes directas de los orígenes microscópicos de un nuevo tipo de magnetismo. Crédito de la imagen: Max Pritchard, Colección Waseem Bakr de la Universidad de Princeton.

Herramientas avanzadas para descubrimientos cuánticos

«Tenemos la capacidad en nuestro laboratorio de observar este sistema individualmente maíz «Los investigadores están monitoreando el nivel de una única ubicación en la red y tomando instantáneas de las correlaciones cuánticas precisas entre las partículas del sistema», dijo Baker.

Durante varios años, Bakr y su equipo de investigación han estudiado los estados cuánticos experimentando con partículas subatómicas ultrafrías conocidas como fermiones en una cámara de vacío. Han creado un sofisticado dispositivo que enfría átomos a temperaturas criogénicas y los mantiene en cristales artificiales conocidos como redes ópticas creadas mediante rayos láser. Este sistema ha permitido a los investigadores explorar muchos aspectos interesantes del mundo cuántico, incluido el comportamiento emergente de grupos de partículas que interactúan.

Fundamentos teóricos y conocimientos experimentales.

Uno de los primeros mecanismos del magnetismo propuestos teóricamente y que sentó las bases para los experimentos actuales del equipo se conoce como ferromagnetismo de Nagaoka, que lleva el nombre de su descubridor Yosuke Nagaoka. Los ferromagnetos son aquellos en los que todos los estados de espín de los electrones apuntan en la misma dirección.

Si bien un ferroimán con espines alineados es el tipo más común de imán, en el marco teórico más simple, los electrones que interactúan fuertemente en la red en realidad tienden al antiferromagnetismo, con los espines alineados en direcciones alternas. Esta preferencia por resistir la alineación de espines vecinos se produce como resultado del acoplamiento indirecto de espines de electrones vecinos conocido como superintercambio.

Sin embargo, Nagaoka teorizó que el ferromagnetismo también podría ser el resultado de un mecanismo completamente diferente, determinado por el movimiento de impurezas añadidas intencionalmente, o dopaje. Esto se puede entender mejor imaginando una red cuadrada bidimensional, donde cada sitio de la red está ocupado por un electrón, excepto uno. Un sitio desocupado (o un agujero similar) deambula por la red.

Nagaoka descubrió que si el agujero se mueve en un entorno con espines paralelos o ferromagnetos, las diferentes trayectorias del movimiento del agujero cuántico interfieren mecánicamente entre sí. Esto mejora la propagación fuera del sitio del agujero cuántico y reduce la energía cinética, lo cual es un resultado positivo.

El legado de Nagaoka y la mecánica cuántica moderna

La teoría de Nagaoka rápidamente ganó reconocimiento porque había pocas pruebas rigurosas que afirmaran explicar los estados fundamentales de los sistemas de electrones que interactúan fuertemente. Pero monitorear las consecuencias mediante experimentos fue un desafío difícil debido a los estrictos requisitos del modelo. En teoría, las reacciones deberían ser infinitamente fuertes y sólo se permite un dopante. Durante las cinco décadas posteriores a que Nagaoka propusiera su teoría, otros investigadores se dieron cuenta de que estas condiciones poco realistas podrían mitigarse significativamente en redes con geometría triangular.

Experimento cuántico y sus efectos.

Para realizar el experimento, los investigadores utilizaron vapores de átomos de litio-6. Este isótopo de litio tiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. «El número total impar hace que este sea un isótopo fermiónico, lo que significa que los átomos se comportan de manera similar a los electrones en un sistema de estado sólido», dijo Benjamin Spar, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Princeton y coautor del estudio.

Cuando estos gases se enfrían mediante láseres a temperaturas extremas de sólo unas pocas milmillonésimas de grado Cero absolutoSu comportamiento comienza a obedecer a los principios de la mecánica cuántica en lugar de los de la mecánica clásica más familiar.

Explorando estados cuánticos a través de entornos de átomos fríos

«Una vez que logramos este sistema cuántico, lo siguiente que hacemos es cargar los átomos en la red óptica triangular», dice Spar. «En una configuración de átomos fríos, podemos controlar qué tan rápido se mueven los átomos o con qué fuerza interactúan entre sí. otro.»

En muchos sistemas altamente interactivos, las partículas de la red están organizadas en un «aislante de la muerte», un estado de la materia en el que una sola partícula ocupa cada sitio de la red. En este caso, se producen interacciones ferromagnéticas débiles debido a un intercambio superfluo entre los espines de los electrones en sitios adyacentes. Pero en lugar de utilizar un amortiguador de muerte, los investigadores utilizaron una técnica llamada «injerto», que elimina algunas moléculas, dejando así «agujeros» en la malla, o añade moléculas adicionales.

Descubriendo nuevas formas de magnetismo cuántico

«En nuestro experimento no comenzamos con una semilla por sitio», dijo Baker. «En lugar de eso, cubrimos la red con agujeros o moléculas. Y cuando haces eso, descubres que hay una forma de magnetismo mucho más fuerte que se observa en estos sistemas a una escala de energía más alta que el magnetismo de superintercambio habitual. Esta escala de energía tiene que ver con los átomos que saltan en la red.»

Aprovechando las mayores distancias entre los sitios de la red óptica en comparación con los materiales reales, los investigadores pudieron ver lo que estaba sucediendo a nivel de un solo sitio mediante microscopía óptica. Descubrieron que los objetos responsables de esta nueva forma de magnetismo son un nuevo tipo de polo magnético.

El papel de los polarones en los sistemas cuánticos.

«Un polarón es una cuasipartícula que aparece en un sistema cuántico con muchos componentes que interactúan», dijo Baker. “Se comporta de manera muy parecida a una partícula normal, lo que significa que tiene propiedades como carga, espín y masa efectiva, pero no es una partícula real como un átomo, en este caso, es un material dopante que se mueve con una perturbación en su entorno magnético. , o cómo se alinean los espines alrededor de ellos entre sí.

En materiales reales, esta nueva forma de magnetismo se ha observado anteriormente en los llamados materiales muaré formados por cristales 2D apilados, y esto ocurrió sólo el año pasado.

Investigar más profundamente sobre el magnetismo cuántico

«Las sondas de magnetismo disponibles para estos materiales son limitadas. Los experimentos con materiales muaré han medido los efectos macroscópicos asociados con cómo responde una gran pieza de material cuando se aplica un campo magnético», dijo Spar. Profundiza en la física Microestructuras responsables del magnetismo. Hemos capturado imágenes detalladas que revelan las correlaciones en torno al dopaje móvil. Por ejemplo, un entorno lleno de agujeros se rodea de un espín antialineamiento a medida que se mueve, mientras que una partícula mejorada hace lo contrario, rodeándose de un espín coherente.

Esta investigación tiene implicaciones de gran alcance para la física de la materia condensada, incluso más allá de la comprensión de la física del magnetismo. Por ejemplo, se ha planteado la hipótesis de que versiones más complejas de estos polarones dan lugar a mecanismos de acoplamiento de dopaje de huecos, lo que podría conducir a superconductividad a altas temperaturas.

Direcciones futuras en la investigación del magnetismo cuántico

«La parte más interesante de esta investigación es que realmente coincide con estudios en la comunidad de materia condensada», dijo Max Pritchard, estudiante de posgrado y coautor del artículo. «Estamos en una posición única para brindar información oportuna sobre un problema desde un ángulo completamente diferente, y todas las partes se beneficiarán».

De cara al futuro, los investigadores ya están ideando formas nuevas e innovadoras de explorar más a fondo esta nueva y extraña forma de magnetismo e investigar la polaridad del espín con más detalle.

Próximos pasos en la investigación de Polaron

«En este primer experimento, simplemente tomamos instantáneas del polarón, que es sólo el primer paso», dijo Pritchard. «Pero ahora estamos interesados ​​en realizar una medición espectroscópica de los polarones. Queremos ver cuánto tiempo sobreviven los polarones en el sistema que interactúa, para medir la energía que une los componentes de los polarones y su masa efectiva a medida que se propagan en la red. Hay mucho mas que hacer.»

Otros miembros del equipo son Zoe Yan, ahora en Universidad de Chicagoy los teóricos Ivan Moreira, Universidad de Barcelona, ​​España, y Eugene Demmler, Instituto de Física Teórica de Zurich, Suiza. El trabajo experimental fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación David y Lucile Packard.

Referencia: “Imágenes directas de polos de espín en un sistema Hubbard cinéticamente frustrado” por Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan y Wasim S. Bakr, 8 de mayo de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6