プリンストン物理学者が運動磁気の秘密を解く

物理学者 プリンストン大学 この磁性を担う特異なタイプのポラロンである微細な物体を直接イメージ化しました。

すべての磁石が同じというわけではありません。 磁力といえば、しばしば冷蔵庫のドアに付いている磁石を思い出します。 この種の磁石に対して磁性を発生させる電子相互作用は、量子力学の初期から約100年間理解されてきました。 しかし、自然にはさまざまな形の磁気があり、科学者たちはまだそれを駆動するメカニズムを発見しています。

今、プリンストン大学の物理学者たちは、人工レーザーで作られた格子に結合された超低温原子を使用して、運動磁気学として知られている磁性の形態を理解することに大きな進歩を遂げました。 今週のジャーナルで発表された論文に記録された彼らの実験 自然これにより、研究者たちは、相互作用する量子システムに現れる特異なタイプのポラロンまたは準粒子であるこの磁性を担う微細な物体を直接イメージングすることができました。

運動者の理解

今回の論文の上級著者であり、プリンストン物理学科の教授であるWaseem Bakrは、「これはとても興味深いです」と述べました。 「自己の起源は原子配列における不純物の動きに関連している。 運動 自己。 この動きは非常に珍しく、非常に高い温度でも堅牢な磁性を持ちます。 ドーピング（粒子の追加または除去）による磁性の調整可能性と組み合わせた運動磁性は、実際の材料のデバイス用途に非常に有望です。

Bakrと彼のチームは、以前の研究では実現されていなかった詳細レベルでこの新しい形態の自己を研究しました。 超低温原子システムが提供する制御により、研究者は運動磁気を発生させる微細な物理学を初めて視覚化することができました。

プリンストンの研究者たちは、新しいタイプの自己の微細な起源を直接イメージしました。 出典：Max Prichard、Princeton UniversityのWaseem Bakrグループ

量子発見のための高度なツール

「私たちの研究室には、このシステムを単一の時点で観察する能力があります。 原子 格子の単一サイトレベルを確認し、システムの粒子間の微妙な量子相関の「スナップショット」を撮ります」とBakrは言います。

数年間、Bakrと彼の研究チームは、真空チャンバー内でフェルミオンとして知られている超低温亜原子粒子を実験して量子状態を研究してきました。 彼らは原子を極低温まで冷却し、レーザービームを使用して生成された光学格子として知られる人工結晶に原子をロードする洗練された装置を考案しました。 このシステムにより、研究者は相互作用する粒子の集合の創造的な行動に関連する量子世界の多くの興味深い側面を探求することができました。

理論的基礎と実験的洞察

チームの現在の実験の基礎を築いた初期に理論的に提案された磁気メカニズムの一つは、発見者である長岡洋介の名を冠した長岡強磁性として知られています。 強磁性体は、電子のスピン状態が全て同じ方向を指すものである。

スピンが整列した強磁性体は最も親しみやすいタイプの磁石ですが、最も単純な理論的設定では、格子で強く相互作用する電子が実際にスピンが交互に整列する反強磁性に向かう傾向があります。 近隣スピンのアライメント防止のこの好みは、スーパー交換として知られる近隣電子スピンの間接的結合の結果として生じる。

しかし、長岡は、強磁性が意図的に添加された不純物やドーパントの動きによって決まるまったく異なるメカニズムで発生する可能性があるという理論を立てました。 これは、1つの例外を除いて、各格子サイトが電子によって占められている2次元正方形格子を想像することによって最もよく理解されます。 空のサイト（または正孔ドーパント）が格子内を歩き回ります。

長岡は、正孔が整列したスピンや強磁性体環境で動くと、正孔の運動に対する異なる軌跡が量子機械的に互いに干渉することを発見しました。 これは正孔の量子位置拡散を改善し、運動エネルギーを減少させ、有利な結果をもたらす。

長岡の遺産と現代量子力学

長岡の定理は、強く相互作用する電子システムの床状態を説明すると主張する厳しい証拠がほとんどないため、すぐに認められました。 しかし、実験を通して結果を観察することは、モデルの厳しい要件のために困難な課題でした。 理論によると、相互作用は無限に強力でなければならず、1つのドーパントしか許可されていません。 長岡が彼の理論を提案してから50年が経ち、他の研究者たちは、これらの非現実的な条件が三角形の幾何学を使用する格子でかなり緩和される可能性があることに気づきました。

量子実験とその意味

実験を行うために、研究者はリチウム-6原子蒸気を使用しました。 このリチウム同位元素には電子3個、プロトン3個、中性子3個が含まれています。 論文の共著者であり、プリンストン大学物理学科大学院生のベンジャミン・スパ（Benjamin Spar）は「奇数の総数はこれをフェルミオン同位元素にし、これは原子が固体システムで電子と同様に行動することを意味する」と述べた。

これらのガスをレーザービームを使用して数十億分の1度以上の極端な温度まで冷却すると、 絶対零度彼らの行動は、より身近な古典力学ではなく、量子力学の原理によって支配され始めます。

冷たい原子設定による量子状態の探索

「この量子システムを達成した後、私たちがする次のことは、原子を三角形の光学格子にロードすることです。 低温原子設定では、原子がどれだけ速く動くか、または原子が互いにどれだけ強く相互作用するかを制御できます。」とSparは言います。

強く相互作用する多くのシステムでは、格子の粒子は、単一の粒子が格子の各位置を占める材料状態である「モット絶縁体」で構成されています。 この状態では、隣接部位の電子スピン間の超交換による弱い反強磁性相互作用がある。 しかし、Mott絶縁体を使用する代わりに、研究者らはいくつかの粒子を除去して格子に「穴」を残すか、または追加の粒子を追加する「ドーピング」という技術を使用しました。

新しい形態の量子自己開示

バクル氏は、「我々は実験ではサイト当たり一つの原子で始まらない」と述べた。 「代わりに、私たちは格子に穴や粒子をドープします。 そして、これを行うと、一般的な超交換磁気よりも高いエネルギースケールを持つこれらのシステムで観察されるはるかに強力な形態の磁気があることがわかります。 このエネルギー規模は格子内の原子のホッピングに関連しています。

実際の材料と比較して、光学格子のはるかに大きな格子サイト間隔を利用して、研究者は光学顕微鏡を使用して単一サイトレベルで何が起こっているのかを確認することができました。 彼らは、この新しいタイプの磁気を担当するオブジェクトが新しいタイプの磁気ポラロンであることを発見しました。

量子システムにおけるポラロンの役割

「ポラロンは、相互作用する多くのコンポーネントを持つ量子システムに現れる準粒子です」とBakrは言います。 「これは電荷、スピン、有効質量などの特性を持つという点で、通常の粒子と非常によく似ていますが、原子などの実際の粒子ではありません。 この場合、磁気環境を乱す、または周囲のスピンが互いに対して整列するように移動するドーパントです。

実際の材料では、この新しい形態の磁性は、以前に積層された二次元結晶からなるいわゆるモアレ材料で観察され、これは昨年のみ発生しました。

量子磁気に関するより深い調査

「これらの材料に使用できる磁気プローブは限られています。 モアレ材料を用いた実験では、磁場が加えられたときに材料の大きな部分がどのように反応するかに関する巨視的な効果を測定しました」とSparは言います。 「低温原子の設定により、私たちは自分自身を担当する微細な物理学を深く掘り下げることができます。 私たちはモバイルドーパントの周りのスピン相関を示す詳細な画像を撮影しました。 たとえば、正孔ドーパントは移動中に整列していないスピンで自分自身を囲み、粒子ドーパントはその逆の整列スピンで自分自身を囲むことを発見しました。

今回の研究は、磁気物理学を理解する以上に凝集物質物理学に広範な影響を与えます。 例えば、これらのポラロンのより複雑なバージョンは、正孔ドーパントが対になるメカニズムを導き、高温で超伝導性をもたらす可能性があるという仮説が立てられている。

量子磁気研究の将来の方向

論文の共著者と大学院生のMax Prichardは、「この研究の最も興味深い部分は、それが凝集物質コミュニティの研究と同時に進行することです」と述べました。 「私たちは、全く異なる角度から時折適切な問題について洞察を提供することができるユニークな立場にあり、すべての当事者が利益を得ます。」

今後、研究者たちは、この新しくエキゾチックな形の磁性をより詳しく調べ、スピンポラロンをさらに詳しく調べるための新しい革新的な方法をすでに考案しています。

ポラロン研究の次の段階

Prichardは、「この最初の実験では、最初のステップに過ぎないポラロンのスナップショットを撮りました」と述べた。 「しかし、今私たちはポラロンの分光測定に興味があります。 我々は、ポラロンが格子内で伝播するときに、ポラロンの成分と有効質量を一緒に結合するエネルギーを測定するために、ポラロンが相互作用システムにどれだけ長く生き残るかを確認したいと思います。 やるべきことがたくさんあります。」

チームの他のメンバーは現在Zoe Yanです。 シカゴ大学、理論家Ivan Morera（スペインバルセロナ大学）、Eugene Demler（スイスのチューリッヒ理論物理学研究所）。 実験作業は、国立科学財団（National Science Foundation）、陸軍研究所（Army Research Office）、デビッド＆ルシル・パッカード財団（David and Lucile Packard Foundation）の支援を受けました。

参照：Max L. Prichard、Benjamin M. Spar、Ivan Morera、Eugene Demler、Zoe Z. Yan、およびWaseem S. Bakrの「運動学的に挫折されたHubbardシステムにおけるスピンポラロン直接イメージング」、2024年5月8日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-024-07356-6