In het algemeen, vastestoffysici zijn niet in staat om de twee processen te scheiden, dus ze kunnen de vraag niet beantwoorden, of de magnetische orde inderdaad is verminderd, of dat het gewoon verborgen is.

MPQ-wetenschappers onthullen verborgen magnetische orde in eendimensionale kwantumkristallen gedoteerd met gaten.

Magnetisme is een fenomeen dat we in het dagelijks leven vaak meemaken. Het eigendom, die wordt waargenomen in materialen zoals ijzer, wordt veroorzaakt door de uitlijning van elektronenspins. Nog interessantere effecten worden verwacht in het geval dat de magnetische kristallen gaten vertonen, d.w.z., roosterplaatsen die niet bezet zijn met een elektron. Vanwege het samenspel tussen de beweging van het defect en de magnetische correlaties van de elektronenspins, de magnetische orde lijkt te worden onderdrukt. In het algemeen, vastestoffysici zijn niet in staat om de twee processen te scheiden, dus ze kunnen de vraag niet beantwoorden, of de magnetische orde inderdaad is verminderd, of dat het gewoon verborgen is.

Nu heeft een team van wetenschappers rond Dr. Christian Groß van de Quantum Many-Body Systems Division (directeur Professor Immanuel Bloch) van het Max Planck Institute of Quantum Optics aangetoond dat in eendimensionale kwantummagneten de magnetische orde behouden blijft, zelfs wanneer ze gedoteerd met gaten - een directe manifestatie van scheiding van spin-lading (dichtheid). De kwantumkristallen werden bereid door ketens van ultrakoude atomen in een optisch rooster. De waarneming werd mogelijk gemaakt met een uniek instrument waarmee de beweging van gaten en de spin-excitaties afzonderlijk in één meetproces kunnen worden gevolgd (Science, 4 augustus 2017). In de volgende stap zijn de wetenschappers van plan de methode uit te breiden naar tweedimensionale systemen. Hier is de interactie tussen gaten en magnetische correlaties veel complexer. Het zou kunnen leiden tot de detectie van exotische veellichamenfasen die mogelijk verantwoordelijk zijn voor het optreden van supergeleiding bij hoge temperaturen.

Het Garching-team begint met het afkoelen van een ensemble van fermionische lithium-6-atomen tot extreem lage temperaturen, een miljoenste Kelvin boven het absolute nulpunt. De atomen worden vervolgens gevangen in een enkel vlak in een tweedimensionaal optisch rooster dat wordt gecreëerd door laserstralen. Het vliegtuig is op zijn beurt opgesplitst in ongeveer 10 eendimensionale buizen waarlangs de atomen kunnen bewegen. In de laatste stap, de buizen zijn gesuperponeerd met een optisch rooster dat de periodieke potentiaal nabootst die elektronen in een echt materiaal zien. Analoog aan elektronen dragen lithiumatomen een spin-1/2 (of magnetisch moment) dat zowel naar boven als naar beneden kan wijzen. In een eerder experiment met een soortgelijk systeem hebben de wetenschappers aangetoond dat onder een bepaalde temperatuur de magnetische momenten van naburige atomen in tegengestelde richtingen uitlijnen, zodat antiferromagnetische correlaties ontstaan.

In het vervolgexperiment onderzoeken ze de invloed van gaten op de ordeningsgraad van het kwantumkristal. "We bereiken een bepaalde hoeveelheid gatendoping door ervoor te zorgen dat het aantal atomen dat in het optische rooster wordt geladen kleiner is dan het aantal roosterplaatsen, " zegt Timon Hilker, eerste auteur en promovendus bij het experiment. "Nu komen de vragen, of de gaten vast zijn of dat ze kunnen bewegen, en hoe ze de magnetische orde van het systeem beïnvloeden."

We kennen allemaal de volgende situatie:als in een theater een stoel in het midden van een rij leeg blijft, een beweging gaat door de menigte:één voor één, de leden van het publiek schuiven op, met andere woorden:het gat migreert. Iets soortgelijks kan worden waargenomen in het synthetische kwantumkristal met behulp van de kwantumgasmicroscoop die de precieze positie van elk afzonderlijk atoom of defect op hun respectieve roosterplaatsen in beeld brengt. "Echter, in tegenstelling tot de lege stoel in het theater, de gaten in het kwantumkristal zijn gedelokaliseerd. Hun locatie wordt bepaald op het moment dat ze worden gemeten, ’ benadrukt Timon Hilker.

Op het eerste gezicht verbergen de fluctuaties van de atomen in het optische rooster de antiferromagnetische correlaties. Maar het team van Christian Groß kan het van dichterbij bekijken, omdat ze een methode hebben ontwikkeld om atomen met verschillende spinoriëntaties ruimtelijk te scheiden. Hiertoe, het optische rooster wordt gesuperponeerd met een superrooster zodat op elke roosterplaats een dubbele put wordt gecreëerd. In combinatie met een magnetische gradiënt resulteert dit in een potentiaal die afhankelijk is van de spin-oriëntatie. De grote uitdaging van deze methode is om optisch rooster en superrooster met een nauwkeurigheid van enkele nanometers aan te passen, d.w.z., een fractie van de lasergolflengte.

"In ons systeem kunnen we zowel gaten als beide spintoestanden detecteren, "Dr. Christian Groß, projectleider, wijst erop. "We kunnen de omgeving van elk gat direct onderzoeken. We observeren, dat de orde over het algemeen behouden blijft, d.w.z., dat de spins van de linker en de rechter buuratomen anti-uitgelijnd zijn. Omdat de afbeeldingen elke draai en elk gat weergeven, we zijn in staat om, als te spreken, 'haal de gaten eruit' in onze evaluatie. Dergelijke niet-lokale metingen zijn experimenteel nieuw terrein en openen nieuwe perspectieven voor de studie van exotische fasen van materie."

Nu zijn de wetenschappers van plan deze methode toe te passen op tweedimensionale kwantumkristallen die zijn gedoteerd met gaten. Dit zou een nieuwe benadering zijn om tweedimensionale gaten-gedoteerde systemen van gecorreleerde elektronen te simuleren. Dergelijke experimenten zouden kunnen leiden tot een beter begrip van de zogenaamde hoge temperatuur supergeleiding die 30 jaar geleden werd ontdekt. De naam beschrijft het effect dat in bepaalde verbindingen met koperhoudende lagen de elektrische weerstand al boven de kooktemperatuur van vloeibare stikstof verdwijnt. Het samenspel tussen defecten en antiferromagnetische correlaties wordt verondersteld een belangrijke rol te spelen in dit raadselachtige fenomeen.