Fisikawan Princeton mengungkap rahasia magnet kinetik

Fisikawan dari Universitas Princeton Mereka secara langsung menggambarkan objek mikroskopis yang bertanggung jawab atas daya tarik ini, suatu jenis polaron yang tidak biasa.

Tidak semua magnet itu sama. Ketika kita memikirkan tentang magnet, kita biasanya memikirkan magnet yang menempel pada pintu lemari es. Untuk jenis magnet ini, interaksi elektronik yang menimbulkan magnet telah dipahami selama sekitar satu abad, sejak awal mekanika kuantum. Namun ada banyak bentuk magnetisme yang berbeda di alam, dan para ilmuwan masih menemukan mekanisme yang mendorongnya.

Kini, fisikawan dari Universitas Princeton telah membuat kemajuan signifikan dalam memahami bentuk magnet yang dikenal sebagai magnet kinetik, menggunakan atom ultradingin yang dihubungkan ke kisi buatan yang dibuat dengan laser. Pengalaman mereka dicatat dalam makalah penelitian yang diterbitkan minggu ini di jurnal alamHal ini memungkinkan para peneliti untuk secara langsung menggambarkan objek mikroskopis yang bertanggung jawab atas magnetisme ini, suatu jenis polaron, atau partikel kuasi yang tidak biasa, yang muncul dalam sistem kuantum yang berinteraksi.

Memahami magnetisme kinetik

“Ini sangat menarik,” kata Waseem Bakr, profesor fisika di Universitas Princeton dan penulis utama studi tersebut. “Asal usul magnetisme berkaitan dengan pergerakan pengotor dalam matriks atom, itulah namanya Kinetika Daya tarik. Gerakan ini sangat tidak biasa dan menghasilkan daya tarik yang kuat bahkan pada suhu yang sangat tinggi. Dikombinasikan dengan kemungkinan menyetel magnetisme dengan doping – menambah atau menghilangkan partikel – magnet kinetik sangat menjanjikan untuk aplikasi perangkat pada material nyata.

Bakr dan timnya mempelajari bentuk magnet baru ini dengan tingkat detail yang belum pernah dicapai dalam penelitian sebelumnya. Berkat kontrol yang diberikan oleh sistem atom ultradingin, untuk pertama kalinya para peneliti dapat memvisualisasikan fisika presisi yang menimbulkan magnet kinetik.

Para peneliti di Universitas Princeton telah secara langsung mencitrakan asal-usul mikroskopis dari jenis magnet baru. Kredit gambar: Max Pritchard, Koleksi Waseem Bakr di Universitas Princeton

Alat canggih untuk penemuan kuantum

“Kami memiliki kemampuan di laboratorium kami untuk melihat sistem ini secara individual Jagung “Para peneliti memantau tingkat satu lokasi di jaringan dan mengambil gambaran korelasi kuantum yang tepat antar partikel dalam sistem,” kata Baker.

Selama beberapa tahun, Bakr dan tim penelitinya telah mempelajari keadaan kuantum dengan bereksperimen dengan partikel subatom ultradingin yang dikenal sebagai fermion dalam ruang vakum. Mereka telah menciptakan perangkat canggih yang mendinginkan atom hingga suhu kriogenik dan menahannya dalam kristal buatan yang dikenal sebagai kisi optik yang dibuat menggunakan laser. Sistem ini memungkinkan para peneliti untuk mengeksplorasi banyak aspek menarik dari dunia kuantum, termasuk perilaku kelompok partikel yang berinteraksi.

Landasan teoretis dan wawasan eksperimental

Salah satu mekanisme magnetisme awal yang diusulkan secara teoritis yang meletakkan dasar bagi eksperimen tim saat ini dikenal sebagai feromagnetisme Nagaoka, dinamai menurut penemunya Yosuke Nagaoka. Ferromagnet adalah magnet yang semua keadaan putaran elektronnya mengarah ke arah yang sama.

Meskipun feromagnet dengan putaran sejajar adalah jenis magnet yang paling umum, dalam kerangka teoritis yang paling sederhana, elektron yang berinteraksi kuat pada kisi sebenarnya cenderung menuju antiferromagnetisme, dengan putaran berbaris dalam arah bergantian. Preferensi untuk menolak penyelarasan spin tetangga ini terjadi sebagai akibat dari penggabungan tidak langsung spin elektron tetangga yang dikenal sebagai superexchange.

Namun, Nagaoka berteori bahwa feromagnetisme mungkin juga dihasilkan dari mekanisme yang sama sekali berbeda, mekanisme yang ditentukan oleh pergerakan pengotor yang ditambahkan secara sengaja, atau doping. Hal ini dapat dipahami dengan baik dengan membayangkan kisi persegi dua dimensi, di mana setiap lokasi kisi, kecuali satu, ditempati oleh sebuah elektron. Situs kosong (atau lubang serupa) menjelajahi jaringan.

Nagaoka menemukan bahwa jika lubang bergerak dalam lingkungan dengan putaran paralel atau feromagnet, jalur pergerakan lubang kuantum yang berbeda secara mekanis akan saling mengganggu. Hal ini meningkatkan perambatan lubang kuantum di luar lokasi dan mengurangi energi kinetik, yang merupakan hasil positif.

Warisan Nagaoka dan Mekanika Kuantum Modern

Teori Nagaoka dengan cepat mendapat pengakuan karena hanya ada sedikit bukti kuat yang mengklaim dapat menjelaskan keadaan dasar sistem elektron yang berinteraksi kuat. Namun memantau konsekuensi melalui eksperimen merupakan tantangan yang sulit karena persyaratan model yang ketat. Secara teori, reaksinya harus sangat kuat dan hanya satu dopan yang diperbolehkan. Selama lima dekade setelah Nagaoka mengajukan teorinya, peneliti lain menyadari bahwa kondisi yang tidak realistis ini dapat diatasi secara signifikan dalam jaringan dengan geometri segitiga.

Eksperimen kuantum dan dampaknya

Untuk melakukan percobaan, para peneliti menggunakan uap atom litium-6. Isotop litium ini memiliki tiga elektron, tiga proton, dan tiga neutron. “Jumlah ganjil menjadikannya isotop fermionik, yang berarti atom berperilaku serupa dengan elektron dalam sistem benda padat,” kata Benjamin Spar, mahasiswa pascasarjana bidang fisika di Universitas Princeton dan salah satu penulis studi tersebut.

Ketika gas-gas ini didinginkan menggunakan laser hingga suhu ekstrim hanya sepersejuta derajat Nol mutlakPerilaku mereka mulai mematuhi prinsip-prinsip mekanika kuantum daripada mekanika klasik yang lebih dikenal.

Menjelajahi keadaan kuantum melalui pengaturan atom dingin

“Setelah kita mencapai sistem kuantum ini, hal berikutnya yang kita lakukan adalah memuat atom ke dalam kisi optik segitiga,” kata Spar. “Dalam pengaturan atom dingin, kita dapat mengontrol seberapa cepat atom bergerak atau seberapa kuat mereka berinteraksi satu sama lain lainnya.”

Dalam banyak sistem yang sangat berinteraksi, partikel-partikel dalam kisi disusun dalam “isolator kematian,” suatu keadaan materi di mana satu partikel menempati setiap lokasi kisi. Dalam hal ini, terdapat interaksi feromagnetik yang lemah karena pertukaran yang berlebihan antara putaran elektron di lokasi yang berdekatan. Namun alih-alih menggunakan isolator yang sekarat, para peneliti menggunakan teknik yang disebut “cangkok”, yang menghilangkan beberapa molekul, sehingga meninggalkan “lubang” pada jaring, atau menambahkan molekul tambahan.

Mengungkap bentuk-bentuk baru magnet kuantum

“Kami tidak memulai dengan satu benih per lokasi dalam percobaan kami,” kata Baker. “Sebaliknya, kita menutupi kisi-kisi tersebut dengan lubang atau molekul. Dan ketika Anda melakukannya, Anda akan menemukan bahwa ada bentuk magnetisme yang jauh lebih kuat yang diamati dalam sistem ini pada skala energi yang lebih tinggi daripada magnetisme superexchange biasa. Skala energi ini memiliki hubungannya dengan atom-atom yang melompat ke dalam kisi-kisi.”

Dengan memanfaatkan jarak yang lebih jauh antara situs kisi dalam jaringan optik dibandingkan dengan material sebenarnya, para peneliti dapat melihat apa yang terjadi pada tingkat situs tunggal menggunakan mikroskop optik. Mereka menemukan bahwa objek yang bertanggung jawab atas bentuk magnet baru ini adalah kutub magnet jenis baru.

Peran polaron dalam sistem kuantum

“Polaron adalah kuasipartikel yang muncul dalam sistem kuantum dengan banyak komponen yang berinteraksi,” kata Baker. “Ia berperilaku sangat mirip dengan partikel biasa, artinya ia memiliki sifat seperti muatan, putaran, dan massa efektif, namun ia bukanlah partikel sebenarnya seperti atom , atau bagaimana putaran disekelilingnya sejajar satu sama lain.

Pada material nyata, bentuk magnetisme baru ini sebelumnya telah diamati pada material moiré yang terdiri dari tumpukan kristal 2D, dan ini baru terjadi pada tahun lalu.

Selidiki lebih dalam tentang magnetisme kuantum

“Percobaan magnetisme yang tersedia untuk bahan-bahan ini terbatas. Eksperimen dengan bahan moiré telah mengukur efek makroskopis yang terkait dengan bagaimana sebagian besar bahan merespons ketika medan magnet diterapkan,” kata Spar. “Dengan pengaturan atom dingin, kita bisa mempelajari lebih dalam fisika Struktur mikro yang bertanggung jawab atas magnetisme. Kami telah menangkap gambar rinci yang mengungkapkan korelasi putaran seputar doping seluler. Misalnya, lingkungan yang berisi lubang mengelilingi dirinya dengan putaran anti-sejajar saat bergerak, sedangkan partikel yang diperkuat melakukan hal sebaliknya, mengelilingi dirinya dengan putaran yang koheren.

Penelitian ini memiliki implikasi yang luas terhadap fisika benda terkondensasi, bahkan melampaui pemahaman fisika magnetisme. Misalnya, ada hipotesis bahwa versi polaron yang lebih kompleks menimbulkan mekanisme penggandengan doping lubang, yang dapat menyebabkan superkonduktivitas pada suhu tinggi.

Arah masa depan dalam penelitian magnet kuantum

“Bagian paling menarik dari penelitian ini adalah bahwa penelitian ini benar-benar bertepatan dengan penelitian pada komunitas benda terkondensasi,” kata Max Pritchard, seorang mahasiswa pascasarjana dan salah satu penulis makalah tersebut. “Kami diposisikan secara unik untuk memberikan wawasan yang tepat waktu mengenai suatu masalah dari sudut pandang yang sangat berbeda, dan semua pihak akan mendapatkan manfaatnya.”

Melihat ke masa depan, para peneliti telah menemukan cara-cara baru dan inovatif untuk mengeksplorasi lebih jauh bentuk magnet baru yang aneh ini – dan menyelidiki polaritas putaran secara lebih rinci.

Langkah selanjutnya dalam penelitian Polaron

“Dalam percobaan pertama ini, kami hanya mengambil snapshot dari polaron, dan ini hanyalah langkah pertama,” kata Pritchard. “Tetapi sekarang kami tertarik untuk mengukur polaron secara spektroskopi. Kami ingin melihat berapa lama polaron hidup dalam sistem yang berinteraksi, untuk mengukur energi yang mengikat komponen elektroda dan massa efektifnya saat mereka merambat dalam kisi. Masih banyak lagi melakukan.”

Anggota tim lainnya adalah Zoe Yan, yang sekarang masuk Universitas Chicagodan ahli teori Ivan Moreira, Universitas Barcelona, ​​​​Spanyol, dan Eugene Demmler, Institut Fisika Teoritis di Zurich, Swiss. Pekerjaan eksperimental ini didukung oleh National Science Foundation, Army Research Office, dan David and Lucile Packard Foundation.

Referensi: “Pencitraan langsung kutub putaran dalam sistem Hubbard yang frustrasi secara kinetik” oleh Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan, dan Wasim S. Bakar, 8 Mei 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6