Door ultrakoude atomen te bestuderen die gevangen zitten in kunstmatige lichtkristallen, Guillaume Salomon, een postdoc aan het Max-Planck-Instituut voor Quantum Optics en een team van wetenschappers hebben direct een fundamenteel effect van eendimensionale kwantumsystemen kunnen observeren. Door de atomen één voor één te detecteren, het team observeerde een uitrekking van de magnetische ordening bij het verdunnen van de atomen in het rooster. De studie werd dit jaar uitgevoerd in de Divisie onder leiding van Immanuel Bloch, een directeur aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optics en professor aan de Ludwig Maximilians Universiteit in München. De nieuwe bevindingen zijn relevant, bijvoorbeeld, in verband met supergeleiders met hoge temperatuur die elektriciteit zonder verlies geleiden.

"Een cruciaal probleem met betrekking tot supergeleiding bij hoge temperaturen is om het samenspel tussen magnetisme en doping te begrijpen, waaruit exotische elektronische fasen kunnen ontstaan. Echter, onze kennis is sterk afhankelijk van de dimensionaliteit van het systeem, en kwantumgasexperimenten kunnen helpen om de kloof tussen één en twee dimensies te overbruggen, " zegt Guillaume Salomon, die sinds 2014 betrokken is bij onderzoek op dit gebied.

In de huidige studie, de wetenschappers van het Max Planck Institute of Quantum Optics, samen met onderzoekers van de natuurkundeafdelingen van de Ludwig Maximilians University en de University of Trento een wolk lithium-6-atomen op 7 nanokelvin gevangen in een lichtkristal om een ​​goed gecontroleerd en schoon Fermi-Hubbard-model te realiseren.

Het Fermi-Hubbard-model is het eenvoudigste model voor elektronische systemen waarin interacties een belangrijke rol spelen (d.w.z. sterk gecorreleerde systemen). Het beschrijft spin-up of spin-down atomen in een rooster die alleen afstotelijk interageren als ze zich op dezelfde plaats bevinden. Wanneer er gemiddeld één atoom op elke site is, antiferromagnetische ordening vindt plaats waar spins op aangrenzende sites anti-uitgelijnd zijn.

Wanneer het systeem wordt verdund, het aantal atomen in het rooster wordt verminderd (gedoteerd) en de periodiciteit van deze magnetische ordening verandert, vergelijkbaar met een accordeon die wordt uitgerekt. In plaats van tegengestelde spins te vinden op aangrenzende sites, je zult ze gemiddeld op grotere afstanden anti-uitgelijnd vinden. De spin-correlaties worden dan als incommensurabel beschouwd. Een dergelijk effect zal naar verwachting ook optreden wanneer het aantal op- en neerwaartse spins verschilt (spinpolarisatie).

De wetenschappers gebruikten een techniek die spin-opgeloste kwantumgasmicroscopie wordt genoemd, waarmee men zowel de posities als de spins van alle atomen tegelijkertijd kan afbeelden, en om spincorrelaties te meten. Ze observeerden de opkomst van dergelijke incommensurabele spincorrelaties, die lineair bleken te variëren met doping en polarisatie, in uitstekende overeenstemming met theoretische voorspellingen.

"Het meest fascinerende deel van dit onderzoeksproject was het ontrafelen van de effecten van spinpolarisatie en doping op spincorrelaties in één dimensie waar spin-ladingscheiding plaatsvindt. Het vermogen om alle spins en deeltjesposities in een sterk gecorreleerd kwantum te meten veellichamensysteem stelt ons in staat om willekeurige correlatiefuncties te berekenen die lijken op numerieke studies op een computer en om fundamentele voorspellingen kwantitatief te testen ondanks de eindige temperatuur van onze systemen, ' legt Salomo uit.

"Aan het einde van dit onderzoek we observeerden in het gedoteerde Fermi-Hubbard-model fundamentele verschillen tussen één dimensie en twee dimensies. Onze resultaten zijn een belangrijke maatstaf voor verder onderzoek naar het dimensionale crossover-regime, waarover tot nu toe weinig bekend is, " voegt Christian Gross toe, die de onderzoeksgroep leidt.