Genom att studera ultrakalla atomer fångade i konstgjorda ljuskristaller, Guillaume Salomon, en postdoc vid Max-Planck-Institute of Quantum Optics och ett team av forskare har direkt kunnat observera en grundläggande effekt av endimensionella kvantsystem. Genom att detektera atomerna en efter en, teamet observerade en sträckning av den magnetiska ordningen när atomerna i gittret späddes ut. Studien genomfördes i år i divisionen ledd av Immanuel Bloch, en direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics och professor vid Ludwig Maximilians University i München. De nya rönen är relevanta, till exempel, i samband med högtemperatursupraledare som leder elektricitet utan förlust.

"Ett avgörande problem relaterat till högtemperatursupraledning är att förstå samspelet mellan magnetism och dopning, ur vilka exotiska elektroniska faser kan uppstå. Dock, vår kunskap är starkt beroende av systemets dimensionalitet, och kvantgasexperiment kan hjälpa till att överbrygga gapet mellan en och två dimensioner, säger Guillaume Salomon, som har varit involverad i forskning inom detta område sedan 2014.

I den aktuella studien, forskarna vid Max Planck Institute of Quantum Optics, tillsammans med forskare från fysikavdelningarna vid Ludwig Maximilians University och University of Trento fångade ett moln av litium-6-atomer vid 7 nanokelvin i en lätt kristall för att realisera en välkontrollerad och ren Fermi-Hubbard-modell.

Fermi-Hubbard-modellen är den enklaste modellen för elektroniska system där interaktioner spelar en viktig roll (d.v.s. starkt korrelerade system). Den beskriver spin upp eller snurra ner atomer i ett gitter som repulsivt interagerar endast om de är belägna på samma plats. När det i genomsnitt finns en atom på varje plats, antiferromagnetisk ordning sker där spinn på angränsande platser är anti-justerade.

När systemet är utspätt, antalet atomer i gittret reduceras (dopas) och periodiciteten för denna magnetiska ordning ändras på samma sätt som ett dragspel som blir sträckt. Istället för att hitta motsatta snurr på angränsande sajter, man kommer att finna dem antijusterade på större avstånd i genomsnitt. Spinkorrelationerna sägs då vara inkompatibla. En sådan effekt förväntas också uppstå när antalet upp- och nedsnurr skiljer sig åt (snurrpolarisering).

Forskarna använde en teknik som kallas spin-resolved quantum gas microscopy, som gör att man kan avbilda både positioner och spinn för alla atomer samtidigt, och för att mäta spinkorrelationer. De observerade uppkomsten av sådana ojämförliga spinkorrelationer, som visade sig variera linjärt med dopning och polarisering, i utmärkt överensstämmelse med teoretiska förutsägelser.

"Den mest fascinerande delen av detta forskningsprojekt har varit upplösningen av effekterna av spin-polarisering och dopning på spinn-korrelationer i en dimension där spin-laddningsseparation sker. Förmågan att mäta alla spinn och partikelpositioner i ett starkt korrelerat kvantum. många kroppssystem tillåter oss att beräkna godtyckliga korrelationsfunktioner som liknar numeriska studier på en dator och att kvantitativt testa grundläggande förutsägelser trots den ändliga temperaturen i våra system, " förklarar Salomon.

"I slutet av denna studie, vi observerade i den dopade Fermi-Hubbard-modellen grundläggande skillnader mellan en dimension och två dimensioner. Våra resultat är ett viktigt riktmärke för ytterligare studier av den dimensionella korsningen, som mycket lite är känt förrän nu, " tillägger Christian Gross, som leder forskargruppen.