프린스턴 물리학자들이 운동자기의 비밀을 풀다

물리학자 프린스턴 대학교 그들은 특이한 유형의 폴라론인 이 자성을 담당하는 미세한 물체를 직접 이미지화했습니다.

모든 자석이 동일한 것은 아닙니다. 자력이라고 하면 흔히 냉장고 문에 붙어 있는 자석을 떠올립니다. 이러한 유형의 자석에 대해 자성을 발생시키는 전자 상호작용은 양자역학 초기부터 약 100년 동안 이해되어 왔습니다. 그러나 자연에는 다양한 형태의 자기가 있으며, 과학자들은 여전히 ​​이를 구동하는 메커니즘을 발견하고 있습니다.

이제 프린스턴 대학의 물리학자들은 레이저로 만든 인공 격자에 연결된 초저온 원자를 사용하여 운동 자기라고 알려진 자기 형태를 이해하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 그들의 경험은 이번 주 저널에 발표된 연구 논문에 기록되어 있습니다. 자연이를 통해 연구원들은 상호 작용하는 양자 시스템에 나타나는 특이한 유형의 폴라론 또는 준입자인 이 자성을 담당하는 미세한 물체를 직접 이미지화할 수 있었습니다.

운동자기의 이해

이번 연구의 주 저자이자 프린스턴 대학교 물리학 교수인 Waseem Bakr는 “이것은 매우 흥미롭습니다.”라고 말했습니다. “자기의 기원은 원자 매트릭스에서 불순물의 이동과 관련이 있습니다. 동력학 자기. 이 움직임은 매우 특이하며 매우 높은 온도에서도 강한 자성을 발생시킵니다. 도핑(입자 추가 또는 제거)으로 자성을 조정할 수 있는 가능성과 결합된 운동 자성은 실제 재료의 장치 응용에 매우 유망합니다.

Bakr와 그의 팀은 이전 연구에서는 달성할 수 없었던 세부적인 수준으로 이 새로운 형태의 자기를 연구했습니다. 초저온 원자 시스템이 제공하는 제어 덕분에 연구자들은 처음으로 운동 자기를 발생시키는 정확한 물리학을 시각화할 수 있었습니다.

프린스턴 대학의 연구원들은 새로운 유형의 자기의 미세한 기원을 직접 이미지화했습니다. 이미지 출처: Max Pritchard, Princeton University의 Waseem Bakr 컬렉션

양자 발견을 위한 고급 도구

“우리 연구실에서는 이 시스템을 개별적으로 살펴볼 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 옥수수 Baker는 “연구원들은 네트워크의 단일 위치 수준을 모니터링하고 시스템 내 입자 간의 정확한 양자 상관 관계에 대한 스냅샷을 찍고 있습니다.”라고 말했습니다.

몇 년 동안 Bakr와 그의 연구팀은 진공 챔버에서 페르미온으로 알려진 초저온 아원자 입자를 실험하여 양자 상태를 연구해 왔습니다. 그들은 원자를 극저온까지 냉각시키고 레이저 빔을 사용하여 생성된 광학 격자로 알려진 인공 결정에 원자를 유지하는 정교한 장치를 만들었습니다. 이 시스템을 통해 연구자들은 상호 작용하는 입자 그룹의 새로운 행동을 포함하여 양자 세계의 많은 흥미로운 측면을 탐색할 수 있었습니다.

이론적 기초 및 실험적 통찰력

팀의 현재 실험의 기초를 마련한 초기 이론적으로 제안된 자기 메커니즘 중 하나는 발견자인 나가오카 요스케의 이름을 딴 나가오카 강자성입니다. 강자성체는 모든 전자 스핀 상태가 동일한 방향을 가리키는 자석입니다.

정렬된 스핀을 가진 강자성체가 가장 일반적인 유형의 자석이지만, 가장 단순한 이론적 설정에서 격자에서 강하게 상호 작용하는 전자는 실제로 스핀이 교대로 정렬되어 반강자성화되는 경향이 있습니다. 이웃 스핀의 정렬에 저항하려는 이러한 선호는 초교환으로 알려진 이웃 전자 스핀의 간접적인 결합의 결과로 발생합니다.

그러나 나가오카는 강자성이 완전히 다른 메커니즘, 즉 의도적으로 첨가된 불순물의 이동이나 도핑에 의해 결정되는 메커니즘으로 인해 발생할 수도 있다는 이론을 세웠습니다. 이는 2차원 정사각형 격자를 상상함으로써 가장 잘 이해될 수 있는데, 여기서 모든 격자 위치는 하나를 제외한 전자로 채워져 있습니다. 비어 있는 사이트(또는 유사한 구멍)가 네트워크를 로밍합니다.

나가오카는 평행 스핀이나 강자성체가 있는 환경에서 정공이 움직일 경우 양자 정공의 운동 경로가 서로 기계적으로 서로 간섭한다는 사실을 발견했습니다. 이는 양자홀의 사이트 외부 전파를 향상시키고 운동 에너지를 감소시키는 긍정적인 결과입니다.

나가오카 유산과 현대 양자역학

나가오카의 이론은 강하게 상호작용하는 전자 시스템의 기본 상태를 설명한다고 주장하는 엄격한 증거가 거의 없었기 때문에 빠르게 인정을 받았습니다. 그러나 실험을 통해 결과를 모니터링하는 것은 모델의 엄격한 요구 사항으로 인해 어려운 과제였습니다. 이론적으로 반응은 무한히 강해야 하며 단 하나의 도펀트만 허용됩니다. 나가오카가 자신의 이론을 제안한 후 50년 동안 다른 연구자들은 이러한 비현실적인 조건이 삼각형 기하학을 사용하는 네트워크에서 크게 완화될 수 있다는 것을 깨달았습니다.

양자실험과 그 효과

실험을 수행하기 위해 연구진은 리튬-6 원자 증기를 사용했습니다. 이 리튬 동위원소에는 전자 3개, 양성자 3개, 중성자 3개가 있습니다. 이번 연구의 공동저자이자 프린스턴 대학 물리학과 대학원생인 벤자민 스파(Benjamin Spar)는 “홀수의 총 개수는 이것을 페르미온 동위원소로 만든다. 이는 원자가 고체 시스템에서 전자와 유사하게 행동한다는 것을 의미한다”고 말했다.

이러한 가스를 레이저를 사용하여 수십억분의 1도에 불과한 극한 온도까지 냉각하면 절대 영도그들의 행동은 더 친숙한 고전 역학보다는 양자 역학의 원리를 따르기 시작합니다.

차가운 원자 설정을 통해 양자 상태 탐색

Spar는 “이 양자 시스템을 달성하면 다음으로 원자를 삼각형 광학 격자에 로드하는 것”이라고 Spar는 말했습니다. 다른.”

고도로 상호 작용하는 많은 시스템에서 격자의 입자는 단일 입자가 격자의 각 위치를 차지하는 물질 상태인 “죽음 절연체”로 구성됩니다. 이 경우 인접한 사이트의 전자 스핀 사이의 불필요한 교환으로 인해 약한 강자성 상호 작용이 있습니다. 그러나 죽어가는 완충액을 사용하는 대신 연구원들은 일부 분자를 제거하여 메쉬에 “구멍”을 남기거나 추가 분자를 추가하는 “접목”이라는 기술을 사용했습니다.

새로운 형태의 양자 자기 발견

Baker는 “우리는 실험에서 사이트당 하나의 시드부터 시작하지 않습니다.”라고 말했습니다. “대신에 우리는 격자를 구멍이나 분자로 덮습니다. 그리고 그렇게 하면 일반적인 초교환 자기보다 더 높은 에너지 규모에서 이러한 시스템에서 관찰되는 훨씬 더 강한 형태의 자기가 있음을 발견합니다. 이 에너지 규모는 격자에서 점프하는 원자와 관련이 있습니다.”

실제 물질에 비해 광학 네트워크의 격자 사이트 사이의 거리가 더 멀다는 점을 활용함으로써 연구진은 광학 현미경을 사용하여 단일 사이트 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 확인할 수 있었습니다. 그들은 이 새로운 형태의 자기를 담당하는 물체가 새로운 유형의 자극이라는 것을 발견했습니다.

양자 시스템에서 폴라론의 역할

“폴라론은 상호 작용하는 많은 구성 요소가 있는 양자 시스템에 나타나는 준입자입니다.”라고 Baker는 말했습니다. “그것은 일반 입자와 매우 유사하게 행동합니다. 즉, 전하, 스핀, 유효 질량과 같은 특성을 가지고 있지만 원자와 같은 실제 입자는 아닙니다. 이 경우 자기 환경에서 교란을 일으키며 움직이는 도핑 물질입니다. 또는 스핀이 서로에 대해 어떻게 정렬되는지.

실제 재료에서 이 새로운 형태의 자성은 이전에 적층된 2D 결정으로 구성된 소위 모아레 재료에서 관찰되었으며 이는 작년에만 발생했습니다.

양자 자기에 대해 더 깊이 조사

“이러한 재료에 사용할 수 있는 자성 프로브는 제한되어 있습니다. 모아레 재료를 사용한 실험은 자기장이 적용될 때 재료의 큰 조각이 어떻게 반응하는지와 관련된 거시적 효과를 측정했습니다.”라고 Spar는 말했습니다. 자성을 담당하는 물리학 미세구조에 대해 더 깊이 탐구해 보세요. 우리는 모바일 도핑과 관련된 스핀 상관관계를 보여주는 상세한 이미지를 캡처했습니다. 예를 들어, 구멍으로 채워진 서라운드는 이동할 때 반정렬 스핀으로 자신을 둘러싸는 반면 강화된 입자는 반대 방향으로 응집성 스핀으로 자신을 둘러쌉니다.

이번 연구는 자기 물리학을 이해하는 것 이상으로 응집물질 물리학에 광범위한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 이러한 폴라론의 더 복잡한 버전은 정공 도핑 결합 메커니즘을 발생시켜 고온에서 초전도성을 유발할 수 있다는 가설이 세워졌습니다.

양자자기 연구의 미래 방향

논문의 공동 저자이자 대학원생인 Max Pritchard는 “이 연구에서 가장 흥미로운 부분은 그것이 응집 물질 공동체의 연구와 실제로 일치한다는 것입니다.”라고 말했습니다. “우리는 완전히 다른 각도에서 문제에 대한 통찰력을 시기적절하게 제공할 수 있는 독보적인 위치에 있으며 모든 당사자가 혜택을 누릴 것입니다.”

미래를 내다보면서 연구자들은 이미 이 이상한 새로운 형태의 자성을 더욱 탐구하고 스핀 극성을 더 자세히 조사할 수 있는 새롭고 혁신적인 방법을 제시하고 있습니다.

Polaron 연구의 다음 단계

“이 첫 번째 실험에서 우리는 단지 첫 번째 단계에 불과한 폴라론의 스냅샷을 찍었습니다.”라고 Pritchard는 말했습니다. “그러나 이제 우리는 폴라론의 분광 측정을 수행하는 데 관심이 있습니다. 폴라론이 상호 작용 시스템에서 얼마나 오래 생존하는지 확인하고 폴라론 구성 요소를 결합하는 에너지와 격자에서 전파될 때 유효 질량을 측정하고 싶습니다. 할 일이 더 많아.”

팀의 다른 구성원은 현재 Zoe Yan입니다. 시카고대학교그리고 이론가인 스페인 바르셀로나 대학교의 Ivan Moreira와 스위스 취리히에 있는 이론 물리학 연구소의 Eugene Demmler가 있습니다. 실험 작업은 국립과학재단(National Science Foundation), 육군연구소(Army Research Office), 데이비드 앤 루실 패커드 재단(David and Lucile Packard Foundation)의 지원을 받았습니다.

참고 자료: Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan 및 Wasim S.의 “운동학적으로 좌절된 Hubbard 시스템에서 스핀 폴의 직접 이미징” 바크르, 2024년 5월 8일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-024-07356-6