Des physiciens de Princeton dévoilent les secrets du magnétisme cinétique | Dmshaulers

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Des chercheurs de l’Université de Princeton ont fait une percée dans la compréhension du magnétisme cinétique en utilisant des atomes ultrafroids dans un réseau construit au laser pour imager un nouveau type de polaron, révélant ainsi comment les mouvements des impuretés dans un réseau atomique provoquent un magnétisme robuste à haute température. Crédit : SciTechDaily.com

L’équipe de recherche a directement photographié l’objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron.

Tous les aimants ne sont pas égaux. Quand on pense au magnétisme, on pense souvent aux aimants qui se collent à la porte d’un réfrigérateur. Pour ces types d’aimants, les interactions électroniques à l’origine du magnétisme sont comprises depuis environ un siècle, depuis les débuts de la mécanique quantique. Mais il existe de nombreuses formes différentes de magnétisme dans la nature, et les scientifiques découvrent encore les mécanismes qui les animent.

Maintenant, les physiciens de université de Princeton ont fait des progrès majeurs dans la compréhension d’une forme de magnétisme connue sous le nom de magnétisme cinétique, utilisant des atomes ultrafroids liés dans un réseau artificiel construit au laser. Leurs expériences, reproduites dans un article publié cette semaine dans la revue Naturea permis aux chercheurs d’imager directement l’objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron, ou quasi-particule, qui apparaît dans un système quantique en interaction.

Comprendre le magnétisme cinétique

“C’est très excitant”, a déclaré Waseem Bakr, professeur de physique à Princeton et auteur principal de l’article. “L’origine du magnétisme est liée au mouvement des impuretés dans le réseau atomique, d’où le nom cinétique magnétisme. Ce mouvement est très inhabituel et conduit à un magnétisme robuste même à des températures très élevées. Combiné à la possibilité d’accorder le magnétisme avec le dopage (l’ajout ou la suppression de particules), le magnétisme cinétique est très prometteur pour les applications de dispositifs dans des matériaux réels. »

Bakr et son équipe ont étudié cette nouvelle forme de magnétisme à un niveau de détail non atteint lors de recherches précédentes. Grâce au contrôle assuré par les systèmes atomiques ultrafroids, les chercheurs ont pu pour la première fois visualiser la physique fine à l’origine du magnétisme cinétique.

Magnétisme Origine microscopique

Des chercheurs de Princeton ont directement visualisé les origines microscopiques d’un nouveau type de magnétisme. Crédit : Max Prichard, Waseem Bakr Group de l’Université de Princeton

Outils avancés pour les découvertes quantiques

“Nous avons la capacité dans notre laboratoire d’examiner ce système sur le plan unique atome et au niveau d’un site unique dans le réseau et prendre des « instantanés » des corrélations quantiques subtiles entre les particules du système », a déclaré Bakr.

Depuis plusieurs années, Bakr et son équipe de recherche étudient les états quantiques en expérimentant dans une chambre à vide des particules subatomiques ultra-froides appelées fermions. Ils ont conçu un dispositif sophistiqué qui refroidit les atomes à des températures ultra-froides et les charge dans des cristaux artificiels appelés réseaux optiques créés à l’aide de faisceaux laser. Ce système a permis aux scientifiques d’explorer de nombreux aspects intéressants du monde quantique impliquant le comportement émergent d’ensembles de particules en interaction.

Base théorique et aperçu expérimental

L’un des premiers mécanismes de magnétisme théoriquement proposés qui a jeté les bases des expériences actuelles de l’équipe est connu sous le nom de ferromagnétisme de Nagaoka, du nom de son découvreur Yosuke Nagaoka. Les ferromagnétiques sont ceux dans lesquels les états de spin des électrons pointent tous dans la même direction.

Alors qu’un ferromagnétique avec des spins alignés est le type d’aimant le plus familier, dans le cadre théorique le plus simple, les électrons en forte interaction sur un réseau tendent en fait vers l’antiferromagnétisme, où les spins s’alignent dans des directions alternées. Cette préférence pour l’anti-alignement des spins voisins résulte d’un couplage indirect de spins électroniques voisins appelé superéchange.

Cependant, Nagaoka a émis l’hypothèse que le ferromagnétisme pourrait également être dû à un mécanisme complètement différent, déterminé par le mouvement d’impuretés ou de dopants délibérément introduits. Ceci est mieux compris en imaginant un réseau carré bidimensionnel, où chaque site du réseau, à une exception près, est occupé par un électron. Le site inoccupé (ou dopant du trou) erre autour du réseau.

Nagaoka a découvert que si le trou se déplace dans un environnement de spins alignés ou dans un ferromagnétique, les différentes trajectoires du quantum de mouvement du trou interfèrent mécaniquement les unes avec les autres. Cela améliore la dispersion de la position quantique du trou et réduit l’énergie cinétique, un résultat favorable.

L’héritage de Nagaoka et la mécanique quantique moderne

Le théorème de Nagaoka a rapidement été reconnu car il existe peu de preuves rigoureuses prétendant expliquer les états fondamentaux des systèmes avec des électrons en forte interaction. Cependant, observer les conséquences par le biais d’expériences était un défi difficile en raison des exigences strictes du modèle. Dans le théorème, les interactions devaient être infiniment fortes et un seul agent dopant était autorisé. Plus de cinq décennies après que Nagaoka ait proposé sa théorie, d’autres chercheurs ont réalisé que ces conditions irréalistes pouvaient être considérablement assouplies dans les réseaux à géométrie triangulaire.

L’expérience quantique et ses implications

Pour réaliser l’expérience, les chercheurs ont utilisé des vapeurs d’atomes de lithium-6. Cet isotope du lithium contient trois électrons, trois protons et trois neutrons. “Le nombre total impair en fait un isotope fermionique, ce qui signifie que les atomes se comportent de la même manière que les électrons dans un système à l’état solide”, a déclaré Benjamin Spar, étudiant diplômé en physique à l’Université de Princeton et co-auteur principal de l’article.

Lorsque ces gaz sont refroidis à l’aide de faisceaux laser jusqu’à des températures extrêmes de quelques milliardièmes de degré au-dessus. absolument nulleur comportement commence à être régi par les principes de la mécanique quantique plutôt que par la mécanique classique plus familière.

Explorer les états quantiques à travers des atomes froids

“Une fois que nous avons réalisé ce système quantique, la prochaine chose que nous faisons est de charger les atomes dans le réseau optique triangulaire. Dans la configuration des atomes froids, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle les atomes se déplacent ou la force avec laquelle ils interagissent les uns avec les autres”, dit Spar.

Dans de nombreux systèmes en interaction forte, les particules d’un réseau sont organisées dans un « isolant Mott », qui est un état de la matière dans lequel une seule particule occupe chaque site du réseau. Dans cet état, il existe de faibles interactions antiferromagnétiques dues au superéchange entre spins d’électrons sur des sites adjacents. Mais au lieu d’utiliser un isolant Mott, les chercheurs ont utilisé une technique appelée « dopage », qui soit élimine certaines particules, laissant ainsi des « trous » dans le réseau, soit ajoute des particules supplémentaires.

Découverte de nouvelles formes de magnétisme quantique

“Nous ne commençons pas avec un atome par site dans notre expérience”, a déclaré Bakr. “Au lieu de cela, nous dopons la grille avec des trous ou des particules. Et lorsque vous faites cela, vous découvrez qu’il existe une forme de magnétisme beaucoup plus robuste observée dans ces systèmes à plus haute échelle d’énergie que le magnétisme habituel des superéchanges. Cette échelle d’énergie est liée au saut des atomes dans le réseau. »

En tirant parti des espacements beaucoup plus grands des réseaux optiques par rapport aux matériaux réels, les chercheurs ont pu voir ce qui se passait au niveau d’un seul site avec un microscope optique. Ils ont découvert que les objets responsables de cette nouvelle forme de magnétisme sont un nouveau type de polaron magnétique.

Le rôle des polarons dans les systèmes quantiques

“Un polaron est une quasi-particule qui apparaît dans un système quantique avec de nombreux constituants en interaction”, a déclaré Bakr. “Il agit beaucoup comme une particule ordinaire, dans le sens où il a des propriétés comme une charge, un spin et une masse effective, mais ce n’est pas une particule réelle comme un atome. Dans ce cas, c’est un dopant qui se déplace avec un perturbation de son environnement magnétique, ou comment les spins qui l’entourent sont alignés les uns par rapport aux autres.

Dans les matériaux réels, cette nouvelle forme de magnétisme a déjà été observée dans des matériaux dits moirés constitués de cristaux bidimensionnels empilés, et cela ne s’est produit que l’année dernière.

Plongez plus profondément dans le magnétisme quantique

“Les sondes magnétiques disponibles pour ces matériaux sont limitées. Des expériences avec des matériaux moirés ont mesuré les effets macroscopiques associés à la réaction d’un grand morceau de matériau lorsqu’un champ magnétique est appliqué”, a déclaré Spar. “Avec la configuration de l’atome froid, nous approfondissons. la physique microscopique responsable du magnétisme. Nous avons pris des images détaillées révélant les corrélations de spin autour des dopants mobiles. Par exemple, nous constatons qu’un dopant à trous s’entoure de spins anti-alignés lorsqu’il se déplace, tandis qu’un dopant à particules fait le contraire et s’entoure de spins alignés. »

Ces recherches ont des implications considérables pour la physique de la matière condensée, allant même au-delà de la compréhension de la physique du magnétisme. Par exemple, on a émis l’hypothèse que des versions plus complexes de ces polarons conduisaient à des mécanismes permettant aux dopants de trous de s’apparier, ce qui peut entraîner une supraconductivité à haute température.

Orientations futures de la recherche sur le magnétisme quantique

“La partie la plus intéressante de cette recherche est qu’elle est vraiment parallèle aux études menées dans la communauté de la matière condensée”, a déclaré Max Prichard, étudiant diplômé et co-auteur de l’article. “Nous sommes dans une position unique pour fournir un aperçu d’un problème actuel sous un angle complètement différent, et toutes les parties en bénéficient.”

Pour l’avenir, les chercheurs conçoivent déjà des moyens nouveaux et innovants d’étudier plus en profondeur cette nouvelle forme exotique de magnétisme – et d’étudier plus en détail le polaron de spin.

La prochaine étape de la recherche Polaron

“Dans cette première expérience, nous avons simplement pris des instantanés du polaron, ce qui n’est que la première étape”, a expliqué Prichard. “Mais nous souhaitons maintenant effectuer une mesure spectroscopique des polarons. Nous voulons voir combien de temps les polarons vivent dans le système en interaction, mesurer l’énergie qui lie ensemble les constituants d’un polaron et sa masse effective lorsqu’il se propage dans le système en interaction. grille. Il y a encore beaucoup à faire.

Les autres membres de l’équipe sont Zoe Yan, maintenant sur Université de Chicago, et les théoriciens Ivan Morera, Université de Barcelone, Espagne, et Eugene Demler, Institut de physique théorique de Zurich, Suisse. Le travail expérimental a été soutenu par la National Science Foundation, le Army Research Office et la Fondation David et Lucile Packard.

Référence : « Imagerie directe des polarons de spin dans un système Hubbard frustré cinétique » par Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan et Waseem S. Bakr, 8 mai 2024, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-024-07356-6

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