Físicos de Princeton desvendam segredos do magnetismo cinético

Físicos de Universidade de Princeton Eles visualizaram diretamente o objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron.

Nem todos os ímãs são iguais. Quando pensamos em magnetismo, geralmente pensamos em ímãs que grudam na porta da geladeira. Para estes tipos de ímanes, as interações eletrónicas que dão origem ao magnetismo são compreendidas há cerca de um século, desde os primórdios da mecânica quântica. Mas existem muitas formas diferentes de magnetismo na natureza e os cientistas ainda estão a descobrir os mecanismos que as impulsionam.

Agora, físicos da Universidade de Princeton fizeram progressos significativos na compreensão de uma forma de magnetismo conhecida como magnetismo cinético, usando átomos ultrafrios ligados a uma rede artificial feita com laser. Suas experiências são narradas em um artigo de pesquisa publicado esta semana na revista naturezaIsso permitiu aos pesquisadores obter imagens diretas do objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron, ou quasipartícula, que aparece em um sistema quântico em interação.

Compreendendo o magnetismo cinético

“Isso é muito emocionante”, disse Waseem Bakr, professor de física na Universidade de Princeton e principal autor do estudo. “As origens do magnetismo têm a ver com o movimento de impurezas na matriz atômica, daí o nome Cinética Magnetismo. Este movimento é altamente incomum e resulta em forte magnetismo mesmo em temperaturas muito altas. Combinado com a possibilidade de ajustar o magnetismo com dopagem – adição ou remoção de partículas – o magnetismo cinético é muito promissor para aplicações de dispositivos em materiais reais.

Bakr e sua equipe estudaram esta nova forma de magnetismo com um nível de detalhe não alcançado em pesquisas anteriores. Graças ao controle proporcionado pelos sistemas atômicos ultrafrios, os pesquisadores conseguiram, pela primeira vez, visualizar a física precisa que dá origem ao magnetismo cinético.

Pesquisadores da Universidade de Princeton visualizaram diretamente as origens microscópicas de um novo tipo de magnetismo. Crédito da imagem: Max Pritchard, coleção Waseem Bakr da Universidade de Princeton

Ferramentas avançadas para descobertas quânticas

“Temos a capacidade em nosso laboratório de analisar este sistema individualmente milho “Os pesquisadores estão monitorando o nível de um único local na rede e tirando fotos das correlações quânticas precisas entre as partículas do sistema”, disse Baker.

Durante vários anos, Bakr e sua equipe de pesquisa estudaram estados quânticos fazendo experiências com partículas subatômicas ultrafrias conhecidas como férmions em uma câmara de vácuo. Eles criaram um dispositivo sofisticado que resfria átomos a temperaturas criogênicas e os mantém em cristais artificiais conhecidos como redes ópticas criadas com lasers. Este sistema permitiu aos pesquisadores explorar muitos aspectos interessantes do mundo quântico, incluindo o comportamento emergente de grupos de partículas em interação.

Fundamentos teóricos e insights experimentais

Um dos primeiros mecanismos teoricamente propostos para o magnetismo que lançou as bases para os experimentos atuais da equipe é conhecido como ferromagnetismo de Nagaoka, em homenagem ao seu descobridor Yosuke Nagaoka. Ferromagnetos são aqueles em que todos os estados de spin do elétron apontam na mesma direção.

Embora um ferromagneto com spins alinhados seja o tipo mais comum de ímã, no cenário teórico mais simples, os elétrons que interagem fortemente na rede tendem, na verdade, ao antiferromagnetismo, com os spins se alinhando em direções alternadas. Essa preferência em resistir ao alinhamento dos spins vizinhos ocorre como resultado do acoplamento indireto dos spins de elétrons vizinhos, conhecido como supertroca.

No entanto, Nagaoka teorizou que o ferromagnetismo também pode resultar de um mecanismo completamente diferente, determinado pelo movimento de impurezas adicionadas intencionalmente, ou dopagem. Isto pode ser melhor compreendido imaginando uma rede quadrada bidimensional, onde cada sítio da rede, exceto um, é ocupado por um elétron. Um site desocupado (ou buraco semelhante) percorre a rede.

Nagaoka descobriu que se o buraco se move em um ambiente com spins paralelos ou ferromagnetos, os diferentes caminhos do movimento do buraco quântico interferem mecanicamente entre si. Isso aumenta a propagação do buraco quântico para fora do local e reduz a energia cinética, o que é um resultado positivo.

O legado de Nagaoka e a mecânica quântica moderna

A teoria de Nagaoka rapidamente ganhou reconhecimento porque havia poucas provas rigorosas que afirmavam explicar os estados fundamentais de sistemas de elétrons em forte interação. Mas monitorizar as consequências através de experiências foi um desafio difícil devido aos requisitos rigorosos do modelo. Em teoria, as reações deveriam ser infinitamente fortes e apenas um dopante é permitido. Ao longo das cinco décadas após Nagaoka ter proposto a sua teoria, outros investigadores perceberam que estas condições irrealistas poderiam ser significativamente atenuadas em redes com geometria triangular.

Experimento quântico e seus efeitos

Para conduzir o experimento, os pesquisadores usaram vapores de átomos de lítio-6. Este isótopo de lítio possui três elétrons, três prótons e três nêutrons. “O número total ímpar torna este isótopo fermiônico, o que significa que os átomos se comportam de forma semelhante aos elétrons em um sistema de estado sólido”, disse Benjamin Spar, estudante de graduação em física na Universidade de Princeton e coautor do estudo.

Quando esses gases são resfriados usando lasers a temperaturas extremas de apenas alguns bilionésimos de grau Zero absolutoSeu comportamento começa a obedecer aos princípios da mecânica quântica, em vez da mecânica clássica, mais familiar.

Explorando estados quânticos por meio de configurações de átomos frios

“Assim que alcançarmos esse sistema quântico, a próxima coisa que faremos é carregar os átomos na rede óptica triangular”, diz Spar. “Na configuração do átomo frio, podemos controlar a rapidez com que os átomos se movem ou com que intensidade eles interagem com cada um. outro.”

Em muitos sistemas altamente interagentes, as partículas na rede são organizadas num “isolante de morte”, um estado da matéria em que uma única partícula ocupa cada local da rede. Neste caso, existem interações ferromagnéticas fracas devido à troca supérflua entre os spins dos elétrons em locais adjacentes. Mas em vez de usar um tampão de morte, os investigadores usaram uma técnica chamada “enxerto”, que remove algumas moléculas, deixando assim “buracos” na malha, ou adiciona moléculas adicionais.

Descobrindo novas formas de magnetismo quântico

“Não começamos com uma semente por local em nosso experimento”, disse Baker. “Em vez disso, cobrimos a rede com buracos ou moléculas. E quando você faz isso, descobre que existe uma forma de magnetismo muito mais forte que é observada nesses sistemas em uma escala de energia mais alta do que o magnetismo de supertroca usual. Esta escala de energia tem tem a ver com átomos saltando na rede.”

Aproveitando as distâncias maiores entre os locais da rede nas redes ópticas em comparação com os materiais reais, os pesquisadores conseguiram ver o que estava acontecendo no nível do local único usando microscopia óptica. Eles descobriram que os objetos responsáveis ​​por esta nova forma de magnetismo são um novo tipo de pólo magnético.

O papel dos polarons em sistemas quânticos

“Um polaron é uma quasipartícula que aparece em um sistema quântico com muitos componentes interagindo”, disse Baker. “Ele se comporta de maneira muito semelhante a uma partícula normal, o que significa que possui propriedades como carga, spin e massa efetiva, mas não é uma partícula real como um átomo. Nesse caso, é um material dopante que se move com uma perturbação em seu ambiente magnético. , ou como os giros estão alinhados em torno deles em relação uns aos outros.

Em materiais reais, esta nova forma de magnetismo já havia sido observada nos chamados materiais moiré, compostos de cristais 2D empilhados, e isso aconteceu apenas no ano passado.

Investigue mais profundamente o magnetismo quântico

“As sondas de magnetismo disponíveis para estes materiais são limitadas. Experimentos com materiais moiré mediram os efeitos macroscópicos associados à forma como um grande pedaço de material responde quando um campo magnético é aplicado”, disse Spar. “Com a configuração do átomo frio, podemos. aprofundar-se nas microestruturas físicas responsáveis ​​pelo magnetismo. Capturamos imagens detalhadas que revelam as correlações em torno do doping móvel. Por exemplo, uma borda cheia de buracos envolve-se com spin anti-alinhamento à medida que se move, enquanto uma partícula melhorada faz o oposto, cercando-se com spin coerente.

Esta pesquisa tem implicações de longo alcance para a física da matéria condensada, indo além da compreensão da física do magnetismo. Por exemplo, levantou-se a hipótese de que versões mais complexas destes polarons dão origem a mecanismos de acoplamento de dopagem de buracos, o que poderia levar à supercondutividade a altas temperaturas.

Direções futuras na pesquisa de magnetismo quântico

“A parte mais interessante desta pesquisa é que ela realmente coincide com estudos na comunidade da matéria condensada”, disse Max Pritchard, estudante de graduação e coautor do artigo. “Estamos numa posição única para fornecer informações oportunas sobre um problema de um ângulo completamente diferente, e todas as partes serão beneficiadas.”

Olhando para o futuro, os investigadores já estão a descobrir formas novas e inovadoras de explorar ainda mais esta estranha nova forma de magnetismo – e investigar a polaridade do spin com mais detalhe.

Próximos passos na pesquisa Polaron

“Nesta primeira experiência, simplesmente tiramos fotos do polaron, o que é apenas o primeiro passo”, disse Pritchard. “Mas agora estamos interessados ​​em fazer uma medição espectroscópica dos polarons. Queremos ver quanto tempo os polarons vivem no sistema em interação, para medir a energia que liga os componentes do eletrodo e sua massa efetiva à medida que se propagam na rede. Existe um muito mais a fazer.”

Outros membros da equipe são Zoe Yan, agora em Universidade de Chicagoe os teóricos Ivan Moreira, da Universidade de Barcelona, ​​​​Espanha, e Eugene Demmler, do Instituto de Física Teórica de Zurique, Suíça. O trabalho experimental foi apoiado pela National Science Foundation, pelo Army Research Office e pela David and Lucile Packard Foundation.

Referência: “Imagem direta de pólos de spin em um sistema Hubbard cineticamente frustrado” por Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan e Wasim S. Bakr, 8 de maio de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6