Genom att analysera bilder gjorda av färgade punkter skapade av kvantsimulatorer har ETH-forskare studerat en speciell typ av magnetism. I framtiden skulle denna metod också kunna användas för att lösa andra fysikpussel, till exempel i supraledning.
På nära håll ser det ut som massor av färgade prickar, men på avstånd ser man en komplex bild rik på detaljer:Med hjälp av pointillismens teknik skapade George Seurat 1886 mästerverket "En söndagseftermiddag på ön La Grande Jatte". På liknande sätt studerar Eugene Demler och hans medarbetare vid ETH Zürich komplexa kvantsystem gjorda av många interagerande partiklar. I deras fall skapas inte prickarna genom att dutta med en pensel, utan snarare genom att göra enskilda atomer synliga i laboratoriet.
Tillsammans med kollegor på Harvard och Princeton har Demlers grupp nu använt den nya metoden – som de kallar "quantum pointillism" – för att titta närmare på en speciell typ av magnetism.
Forskarna har precis publicerat sina resultat i två artiklar i tidskriften Nature med titlarna "Observation av Nagaoka-polaroner i en Fermi–Hubbard-kvantsimulator" och "Direktavbildning av spinnpolaroner i ett kinetiskt frustrerat Hubbard-system."
"Dessa studier representerar ett paradigmskifte i vår förståelse av sådana magnetiska kvantfenomen. Hittills har vi inte kunnat studera dem i detalj", säger Demler. Allt började för ungefär två år sedan på ETH. Gruppen Ataç Imamoğlu undersökte experimentellt speciella material med ett triangulärt kristallgitter (moirématerial gjorda av dikalkogenider av övergångsmetall).
När Demler och hans postdoc Ivan Morera analyserade Imamoğlus data mötte de en egenhet som antydde en sorts magnetism som tidigare bara hade förutspåtts teoretiskt.
"I denna kinetiska magnetism kan ett fåtal elektroner som rör sig inuti kristallgittret magnetisera materialet," förklarar Morera.
I Imamoğlus experiment kunde denna effekt, känd som Nagaoka-mekanismen bland experter, upptäckas för första gången i ett fast ämne genom att bland annat mäta den magnetiska känsligheten – det vill säga hur starkt materialet reagerar på ett externt magnetfält.
"Den upptäckten baserades på mycket starka bevis. För ett direkt bevis skulle man dock behöva mäta elektronernas tillstånd - deras position och spinnriktning - samtidigt på flera ställen inuti materialet", säger Demler.
I ett fast material är detta dock inte möjligt med konventionella metoder. Som mest kan forskare använda röntgen- eller neutrondiffraktion för att ta reda på hur elektronernas spinn relaterar till varandra i två positioner – den så kallade spinn-korrelationen. Korrelationer mellan komplexa spin-arrangemang och ytterligare eller saknade elektroner kan inte mätas på detta sätt.
För att ändå synliggöra de komplexa processerna i Nagaoka-mekanismen, som Demler och Morera hade beräknat med hjälp av en modell, vände de sig till kollegor i Harvard och Princeton. Där har forskarlag under ledning av Markus Greiner och Waseem Bakr utvecklat kvantsimulatorer som kan användas för att exakt återskapa förhållandena inuti ett fast ämne.
I stället för att elektroner rör sig inuti ett gitter gjorda av atomer, i sådana simulatorer använder de amerikanska forskarna extremt kalla atomer fångade inuti ett optiskt gitter gjorda av ljusstrålar. De matematiska ekvationerna som beskriver elektronerna inuti det fasta ämnet och atomerna inuti det optiska gittret är dock nästan identiska.
Färgade ögonblicksbilder av kvantsystemet
Med hjälp av ett starkt förstorande mikroskop kunde Greiners och Bakrs grupper inte bara lösa de individuella atomernas positioner utan även deras spinnriktningar. De översatte informationen som erhölls från dessa ögonblicksbilder av kvantsystemet till färgad grafik som kunde jämföras med de teoretiska pointillistbilderna.
Demler och hans medarbetare hade teoretiskt beräknat, till exempel, hur en enda extra elektron i Nagaoka-mekanismen bildar ett par med en annan elektron med motsatt spinn och sedan rör sig genom materialets triangulära gitter som en dubbel.
Enligt Demlers och Moreras förutsägelse borde den dubbeln vara omgiven av ett moln av elektroner vars spinnriktningar är parallella eller ferromagnetiska. Ett sådant moln är också känt som en magnetisk polaron.
Det är precis vad de amerikanska forskarna såg i sina experiment. Dessutom, om det saknades en atom i det optiska kristallgittret i kvantsimulatorn – vilket motsvarar en saknad elektron eller "hål" i den verkliga kristallen – så bestod molnet som bildades runt det hålet av par av atomer vars snurr pekade i motsatt riktning. riktningar, precis som Demler och Morera hade förutspått.
Denna antiferromagnetiska ordning (eller, mer exakt:antiferromagnetiska korrelationer) hade också tidigare upptäckts indirekt i ett solid state-experiment vid Cornell University i USA. I kvantsimulatorn blev den nu direkt synlig.
"För första gången har vi löst ett fysikpussel med hjälp av experiment både på den "riktiga" fasta substansen såväl som i kvantsimulatorn. Vårt teoretiska arbete är limmet som håller ihop allt, säger Demler. Han är övertygad om att hans metod i framtiden också kommer att vara användbar för att lösa andra knepiga problem.
Till exempel kan mekanismen som får det magnetiska polaronmolnet att bildas också spela en viktig roll i högtemperatursupraledare.
Mer information: Martin Lebrat et al, Observation of Nagaoka polarons in a Fermi–Hubbard quantum simulator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07272-9
Max L. Prichard et al, Direkt avbildning av spinnpolaroner i ett kinetiskt frustrerat Hubbard-system, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07356-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av ETH Zürich
