I ricercatori dell’Università di Princeton hanno fatto una scoperta significativa nella comprensione del magnetismo cinetico utilizzando atomi ultrafreddi in un reticolo costruito con laser per immaginare un nuovo tipo di polaron, rivelando come il movimento delle impurità in un array atomico causi un magnetismo robusto a temperature elevate. Credito: SciTechDaily.com. Fisici dell’Università di Princeton hanno direttamente immaginato l’oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un tipo insolito di polaron.
Non tutti i magneti sono uguali. Quando pensiamo al magnetismo, solitamente immaginiamo i magneti che si attaccano alla porta del frigorifero. Per questi tipi di magneti, le interazioni elettroniche che danno origine al magnetismo sono state comprese per circa un secolo, sin dai primi giorni della meccanica quantistica. Tuttavia, esistono molte forme diverse di magnetismo in natura, e gli scienziati stanno ancora scoprendo i meccanismi che le guidano.
Ora, i fisici dell’Università di Princeton hanno fatto un grande passo avanti nella comprensione di una forma di magnetismo nota come magnetismo cinetico, utilizzando atomi ultrafreddi legati in un reticolo artificiale costruito con laser. I loro esperimenti, descritti in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nature, hanno permesso ai ricercatori di immaginare direttamente l’oggetto microscopico responsabile di questo magnetismo, un tipo insolito di polaron, o quasiparticella che emerge in un sistema quantistico interagente.
Comprendere il magnetismo cinetico. “Questo è molto eccitante,” ha detto Waseem Bakr, professore di fisica a Princeton e autore principale dell’articolo. “Le origini del magnetismo hanno a che fare con il movimento delle impurità nell’array atomico, da cui il nome magnetismo cinetico. Questo movimento è altamente insolito e porta a un magnetismo che è robusto anche a temperature molto elevate. Combinato con la possibilità di modulare il magnetismo con il doping—l’aggiunta o la rimozione di particelle—il magnetismo cinetico è molto promettente per applicazioni nei dispositivi nei materiali reali.”
Bakr e il suo team hanno studiato questa nuova forma di magnetismo a un livello di dettaglio mai realizzato in precedenti ricerche. Con il controllo offerto dai sistemi atomici ultrafreddi, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare, per la prima volta, la fisica finemente dettagliata che dà origine al magnetismo cinetico.
Strumenti avanzati per scoperte quantistiche. “Abbiamo la capacità nel nostro laboratorio di osservare questo sistema a livello del singolo
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Esplorare stati quantistici attraverso configurazioni di atomi freddi. “Una volta raggiunto questo sistema quantistico, il passo successivo è caricare gli atomi nel reticolo ottico triangolare. Nella configurazione degli atomi freddi, possiamo controllare la velocità con cui gli atomi si muovono o quanto fortemente interagiscono tra loro,” ha detto Spar.
In molti sistemi fortemente interagenti, le particelle in un reticolo sono organizzate in un “isolante di Mott,” che è uno stato della materia in cui una singola particella occupa ciascun sito del reticolo. In questo stato, ci sono deboli interazioni antiferromagnetiche dovute al superexchange tra gli spin degli elettroni sui siti vicini. Ma invece di utilizzare un isolante di Mott, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata “doping,” che rimuove alcune particelle, lasciando così “buchi” nel reticolo, o aggiunge particelle extra.
Svelare nuove forme di magnetismo quantistico. “Non partiamo con un atomo per sito nel nostro esperimento,” ha detto Bakr. “Invece, dopiamo il reticolo con buchi o particelle. E quando lo facciamo, scopriamo che c’è una forma di magnetismo molto più robusta che viene osservata in questi sistemi con una scala energetica più alta rispetto al solito magnetismo da superexchange. Questa scala energetica ha a che fare con il salto degli atomi nel reticolo.”
Sfruttando gli spazi tra i siti del reticolo molto più grandi nei reticoli ottici rispetto ai materiali reali, i ricercatori sono stati in grado di vedere cosa stava accadendo a livello del singolo sito con un microscopio ottico. Hanno scoperto cheGli oggetti responsabili di questa nuova forma di magnetismo sono un nuovo tipo di polaron magnetico.
“Un polaron è una quasiparticella che emerge in un sistema quantistico con molti costituenti interagenti,” ha detto Bakr. “Si comporta molto come una particella regolare, nel senso che ha proprietà come una carica, uno spin e una massa effettiva, ma non è una particella reale come un atomo. In questo caso, è un dopante che si muove con un disturbo al suo ambiente magnetico, o come gli spin intorno a esso sono allineati l’uno rispetto all’altro.”
Nei materiali reali, questa nuova forma di magnetismo è stata osservata in precedenza nei cosiddetti materiali moiré costituiti da cristalli bidimensionali impilati, e questo è avvenuto solo nell’ultimo anno.
“Le sonde del magnetismo disponibili per questi materiali sono limitate. Gli esperimenti con i materiali moiré hanno misurato effetti macroscopici, associati a come un grande pezzo di materiale risponde quando viene applicato un campo magnetico,” ha detto Spar. “Con la configurazione degli atomi freddi, possiamo scavare a fondo nella fisica microscopica responsabile del magnetismo. Abbiamo scattato immagini dettagliate che rivelano le correlazioni di spin intorno ai dopanti mobili. Ad esempio, scopriamo che un dopante buco si circonda di spin anti-allineati mentre si muove, mentre un dopante particella fa l’opposto, circondandosi di spin allineati.”
Questa ricerca ha implicazioni di vasta portata nella fisica della materia condensata, anche oltre la comprensione della fisica del magnetismo. Ad esempio, versioni più complesse di questi polaroni sono state ipotizzate per portare a meccanismi per i dopanti buco di accoppiarsi, il che potrebbe risultare in superconduttività a temperature elevate.
Guardando avanti, i ricercatori stanno già ideando modi nuovi e innovativi per sondare ulteriormente questa nuova, esotica forma di magnetismo—e indagare il polaron di spin in maggiore dettaglio.
“In questo primo esperimento, abbiamo semplicemente scattato istantanee del polaron, che è solo il primo passo,” ha detto Prichard. “Ma ora siamo interessati a fare una misurazione spettroscopica dei polaroni. Vogliamo vedere quanto a lungo vivono i polaroni nel sistema interagente, misurare l’energia che lega insieme i costituenti di un polaron e la sua massa effettiva mentre si propaga nel reticolo. C’è molto altro da fare.”