I allmänhet, fasta fysiker kan inte skilja de två processerna, så de kan inte svara på frågan, om den magnetiska ordningen verkligen är reducerad, eller om det bara är dolt.

MPQ-forskare avslöjar dold magnetisk ordning i endimensionella kvantkristaller dopade med hål.

Magnetism är ett fenomen som vi upplever i vardagen ganska ofta. Egendomen, som observeras i material som t ex järn, orsakas av inriktningen av elektronspinn. Ännu mer intressanta effekter förväntas om de magnetiska kristallerna uppvisar hål, d.v.s. gitterplatser som inte är upptagna med en elektron. På grund av samspelet mellan defektens rörelse och de elektroniska spinnens magnetiska korrelationer, den magnetiska ordningen verkar vara undertryckt. I allmänhet, fasta fysiker kan inte skilja de två processerna, så de kan inte svara på frågan, om den magnetiska ordningen verkligen är reducerad, eller om det bara är dolt.

Nu har ett team av forskare runt Dr. Christian Groß från divisionen Quantum Many-Body Systems (direktör professor Immanuel Bloch) vid Max Planck Institute of Quantum Optics visat att i endimensionella kvantmagneter är den magnetiska ordningen bevarad även när de är dopade med hål-en direkt manifestation av spin-charge (densitet) separation. Kvantkristallerna framställdes med kedjor av ultrakylda atomer i ett optiskt gitter. Observationen möjliggjordes med ett unikt verktyg som gör det möjligt att spåra hålrörelser och spinn excitationer separat i en mätprocess (Science, 4 augusti 2017). I nästa steg planerar forskarna att utvidga metoden till tvådimensionella system. Här är interaktionen mellan hål och magnetiska korrelationer mycket mer komplex. Det kan leda till upptäckt av exotiska många kroppsfaser som kan vara ansvariga för förekomsten av högtemperatur supraledning.

Garching-teamet börjar med att kyla en ensemble av fermioniska litium-6-atomer till extremt låga temperaturer, en miljonedel av en Kelvin över absolut noll. Atomerna fångas sedan upp i ett enda plan i ett tvådimensionellt optiskt gitter som skapas av laserstrålar. Planet i sin tur delas upp i cirka 10 endimensionella rör längs vilka atomerna kan röra sig. I det sista steget, rören överlagras med ett optiskt gitter som efterliknar den periodiska potential som elektroner ser i ett verkligt material. I analogi med elektroner bär litiumatomer en spin-1/2 (eller magnetiskt moment) som kan peka antingen uppåt eller nedåt. I ett tidigare experiment med ett liknande system har forskarna visat att under en viss temperatur är de magnetiska stunderna i närliggande atomer inriktade i motsatta riktningar så att antiferromagnetiska korrelationer uppstår.

I uppföljningsexperimentet undersöker de hur hål påverkar kvantkristallens ordningsgrad. "Vi uppnår en viss håldopning genom att se till att antalet atomer som laddas in i det optiska gitteret är mindre än antalet gitterplatser, "säger Timon Hilker, första författare och doktorand vid experimentet. "Nu uppstår frågorna, om hålen är fixerade eller om de kan röra sig, och hur de påverkar systemets magnetiska ordning. "

Vi är alla bekanta med följande situation:om en plats i mitten av en rad i en teater förblir tom, ett drag går genom mängden:en efter en, medlemmarna i publiken rör sig uppåt - med andra ord:hålet migrerar. Något liknande kan observeras i den syntetiska kvantkristallen med hjälp av kvantgasmikroskopet som visar den exakta positionen för varje enskild atom eller defekt på deras respektive gitterplatser. "Dock, mycket i kontrast till den tomma stolen på teatern, hålen i kvantkristallen delokaliseras. Deras plats bestäms i samma ögonblick som de mäts, "Timon Hilker understryker.

Vid en första vy döljer atomernas fluktuationer i det optiska gallret de antiferromagnetiska korrelationerna. Men teamet på Christian Groß kan titta närmare, eftersom de har utvecklat en metod för att rumsligt separera atomer med olika spinnorienteringar. För detta ändamål, det optiska gallret överlagras med ett supergitter så att en dubbel brunn skapas på varje gitterplats. I kombination med en magnetisk gradient resulterar detta i en potential som är beroende av rotationsorienteringen. Den stora utmaningen med denna metod är att justera optiskt gitter och superlatt med en precision på några nanometer, d.v.s. en bråkdel av laservåglängden.

"I vårt system kan vi upptäcka både hål och båda spinntillstånd samtidigt. "Dr Christian Groß, projektledare, pekar ut. "Vi kan direkt undersöka miljön i varje hål. Vi observerar, att ordningen i allmänhet bevaras, d.v.s. att snurr på vänster och höger grannatomer är anti-inriktade. Eftersom bilderna visar varje snurr och varje hål, vi har möjligheten att, när det gäller att tala, "ta hålen" i vår utvärdering. Sådana icke-lokala mätningar är experimentellt nytt territorium och öppnar nya perspektiv för studier av exotiska faser av materia. "

Nu planerar forskarna att tillämpa denna metod på tvådimensionella kvantkristaller som är dopade med hål. Detta skulle vara en ny metod för att simulera tvådimensionella hål-dopade system av korrelerade elektroner. Experiment av den typen kan leda till en bättre förståelse av den så kallade högtemperatur supraledningen som upptäcktes för 30 år sedan. Namnet beskriver effekten att i vissa föreningar med lager som innehåller koppar försvinner det elektriska motståndet redan över koktemperaturen för flytande kväve. Samspelet mellan defekter och antiferromagnetiska korrelationer tros spela en viktig roll i detta förbryllande fenomen.