Wetenschap
Kwantumsimulators lossen natuurkundige puzzels op met gekleurde stippen
Door afbeeldingen te analyseren die zijn gemaakt van gekleurde stippen gemaakt door kwantumsimulators, hebben ETH-onderzoekers een speciaal soort magnetisme bestudeerd. In de toekomst zou deze methode ook gebruikt kunnen worden om andere natuurkundige puzzels op te lossen, bijvoorbeeld op het gebied van supergeleiding.
Van dichtbij lijkt het op veel gekleurde stippen, maar van een afstand zie je een complex beeld dat rijk is aan details:met behulp van de techniek van het pointillisme creëerde George Seurat in 1886 het meesterwerk 'Een zondagmiddag op het eiland La Grande Jatte'. Op een vergelijkbare manier bestuderen Eugene Demler en zijn collega's van de ETH Zürich complexe kwantumsystemen die zijn gemaakt van veel op elkaar inwerkende deeltjes. In hun geval worden de stippen niet gecreëerd door met een penseel te deppen, maar door individuele atomen zichtbaar te maken in het laboratorium.
Samen met collega's van Harvard en Princeton heeft de groep van Demler nu de nieuwe methode gebruikt – die zij 'kwantumpointillisme' noemen – om een speciaal soort magnetisme nader te bekijken.
De onderzoekers hebben zojuist hun resultaten gepubliceerd in twee artikelen in het tijdschrift Nature met titels "Observatie van Nagaoka-polarons in een Fermi-Hubbard-kwantumsimulator" en "Rechtstreekse beeldvorming van spinpolarons in een kinetisch gefrustreerd Hubbard-systeem."
Paradigmaverschuiving in begrip
"Deze onderzoeken vertegenwoordigen een paradigmaverschuiving in ons begrip van dergelijke magnetische kwantumfenomenen. Tot nu toe waren we niet in staat ze in detail te bestuderen", zegt Demler. Het begon allemaal ongeveer twee jaar geleden bij ETH. De groep van Ataç Imamoğlu onderzocht experimenteel speciale materialen met een driehoekig kristalrooster (moiré-materialen gemaakt van overgangsmetaaldichalcogeniden).
Toen Demler en zijn postdoc Ivan Morera de gegevens van Imamoğlu analyseerden, stuitten ze op een bijzonderheid die een soort magnetisme suggereerde dat voorheen alleen theoretisch werd voorspeld.
"Bij dit kinetische magnetisme kunnen een paar elektronen die in het kristalrooster bewegen het materiaal magnetiseren", legt Morera uit.
In het experiment van Imamoğlu kon dit effect, dat onder experts bekend staat als het Nagaoka-mechanisme, voor het eerst in een vaste stof worden gedetecteerd door onder andere de magnetische gevoeligheid te meten, dat wil zeggen hoe sterk het materiaal reageert op een extern magnetisch veld.
P>"Die detectie was gebaseerd op zeer sterk bewijs. Voor een direct bewijs zou je echter de toestand van de elektronen (hun positie en spinrichting) tegelijkertijd op verschillende plaatsen in het materiaal moeten meten", zegt Demler.
Complexe processen zichtbaar gemaakt
In een vaste stof is dit echter niet mogelijk met conventionele methoden. Hooguit kunnen onderzoekers röntgen- of neutronendiffractie gebruiken om erachter te komen hoe de spins van de elektronen zich op twee posities tot elkaar verhouden:de zogenaamde spincorrelatie. Correlaties tussen complexe spin-arrangementen en extra of ontbrekende elektronen kunnen op deze manier niet worden gemeten.
Om de complexe processen van het Nagaoka-mechanisme, die Demler en Morera met een model hadden berekend, toch zichtbaar te maken, wendden ze zich tot collega’s in Harvard en Princeton. Daar hebben onderzoeksteams onder leiding van Markus Greiner en Waseem Bakr kwantumsimulators ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om de omstandigheden in een vaste stof nauwkeurig na te bootsen.
In plaats van dat elektronen bewegen in een rooster van atomen, gebruiken de Amerikaanse onderzoekers in dergelijke simulatoren extreem koude atomen die gevangen zitten in een optisch rooster van lichtstralen. De wiskundige vergelijkingen die de elektronen in de vaste stof en de atomen in het optische rooster beschrijven, zijn echter vrijwel identiek.
Gekleurde momentopnamen van het kwantumsysteem
Met behulp van een sterk vergrotende microscoop konden de groepen van Greiner en Bakr niet alleen de posities van de individuele atomen bepalen, maar ook hun draairichtingen. Ze vertaalden de informatie verkregen uit deze momentopnamen van het kwantumsysteem in gekleurde afbeeldingen die vergeleken konden worden met de theoretische pointillistische afbeeldingen.
Demler en zijn collega's hadden bijvoorbeeld theoretisch berekend hoe een enkel extra elektron in het Nagaoka-mechanisme een paar vormt met een ander elektron met tegengestelde spin en vervolgens als een doublon door het driehoekige rooster van het materiaal beweegt.
Volgens de voorspelling van Demler en Morera zou die doublon omringd moeten zijn door een wolk van elektronen waarvan de spinrichtingen evenwijdig of ferromagnetisch zijn. Zo’n wolk wordt ook wel een magnetisch polaron genoemd.
Dat is precies wat de Amerikaanse onderzoekers zagen in hun experimenten. Bovendien, als er een atoom ontbrak in het optische kristalrooster van de kwantumsimulator – wat overeenkomt met een ontbrekend elektron of ‘gat’ in het echte kristal – dan bestond de wolk die zich rond dat gat vormde uit paren atomen waarvan de spins in tegengestelde richting wezen. richtingen, precies zoals Demler en Morera hadden voorspeld.
Deze antiferromagnetische orde (of preciezer:antiferromagnetische correlaties) was al eerder indirect gedetecteerd in een solid state experiment aan de Cornell University in de VS. In de kwantumsimulator werd het nu direct zichtbaar.
"Voor het eerst hebben we een natuurkundige puzzel opgelost met behulp van experimenten op zowel de 'echte' vaste stof als in de kwantumsimulator. Ons theoretische werk is de lijm die alles bij elkaar houdt", zegt Demler. Hij heeft er vertrouwen in dat zijn methode in de toekomst ook bruikbaar zal zijn voor het oplossen van andere lastige problemen.
Het mechanisme dat ervoor zorgt dat de magnetische polaronwolk ontstaat, zou bijvoorbeeld ook een belangrijke rol kunnen spelen in supergeleiders bij hoge temperaturen.