Em geral, físicos de estado sólido não são capazes de separar os dois processos, então eles não podem responder à pergunta, se a ordem magnética é de fato reduzida, ou se está apenas oculto.

Cientistas do MPQ revelam uma ordem magnética oculta em cristais quânticos unidimensionais dopados com orifícios.

O magnetismo é um fenômeno que vivenciamos na vida cotidiana com bastante frequência. A propriedade, que é observado em materiais como o ferro, é causado pelo alinhamento dos spins do elétron. Efeitos ainda mais interessantes são esperados caso os cristais magnéticos exibam buracos, ou seja, sítios de rede que não estão ocupados com um elétron. Por causa da interação entre o movimento do defeito e as correlações magnéticas dos spins do elétron, a ordem magnética parece ser suprimida. Em geral, físicos de estado sólido não são capazes de separar os dois processos, então eles não podem responder à pergunta, se a ordem magnética é de fato reduzida, ou se está apenas oculto.

Agora, uma equipe de cientistas ao redor do Dr. Christian Groß da Divisão de Sistemas Quantum de Vários Corpos (diretor Professor Immanuel Bloch) no Instituto Max Planck de Óptica Quântica demonstrou que em ímãs quânticos unidimensionais a ordem magnética é preservada mesmo quando eles estão dopado com buracos - uma manifestação direta da separação de carga de spin (densidade). Os cristais quânticos foram preparados por cadeias de átomos ultracold em uma rede óptica. A observação foi possível com uma ferramenta única que permite rastrear o movimento dos orifícios e as excitações de spin separadamente em um processo de medição (Ciência, 4 de agosto de 2017). Na próxima etapa, os cientistas planejam estender o método para sistemas bidimensionais. Aqui, a interação entre buracos e correlações magnéticas é muito mais complexa. Isso pode levar à detecção de fases exóticas de muitos corpos que podem ser responsáveis ​​pela ocorrência de supercondutividade de alta temperatura.

A equipe de Garching começa resfriando um conjunto de átomos fermiônicos de lítio-6 a temperaturas extremamente baixas, um milionésimo de Kelvin acima do zero absoluto. Os átomos são então capturados em um único plano em uma rede óptica bidimensional que é criada por feixes de laser. O plano, por sua vez, é dividido em cerca de 10 tubos unidimensionais ao longo dos quais os átomos podem se mover. Na última etapa, os tubos são sobrepostos com uma rede óptica que imita o potencial periódico que os elétrons veem em um material real. Em analogia aos elétrons, os átomos de lítio carregam um spin-1/2 (ou momento magnético) que pode apontar para cima ou para baixo. Em um experimento anterior com um sistema semelhante, os cientistas mostraram que abaixo de uma certa temperatura os momentos magnéticos dos átomos vizinhos se alinham em direções opostas, de modo que surgem correlações antiferromagnéticas.

No experimento de acompanhamento, eles investigaram a influência dos buracos no grau de ordem do cristal quântico. "Alcançamos uma certa quantidade de dopagem de buraco, certificando-nos de que o número de átomos carregados na rede óptica é menor do que o número de locais da rede, "diz Timon Hilker, primeiro autor e doutorando do experimento. "Agora surgem as perguntas, se os buracos são fixos ou se eles podem se mover, e como eles afetam a ordem magnética do sistema. "

Todos conhecemos a seguinte situação:se em um teatro uma poltrona no meio de uma fileira permanece vazia, um movimento atravessa a multidão:um por um, os membros da audiência sobem - em outras palavras:o buraco migra. Algo semelhante pode ser observado no cristal quântico sintético com o auxílio do microscópio de gás quântico que imagina a posição precisa de cada átomo ou defeito em seus respectivos sítios de rede. "Contudo, muito em contraste com a cadeira vazia no teatro, os buracos no cristal quântico são deslocalizados. Sua localização é determinada no momento em que estão sendo medidos, "Timon Hilker enfatiza.

À primeira vista, as flutuações dos átomos na rede óptica escondem as correlações antiferromagnéticas. Mas a equipe de Christian Groß consegue ver mais de perto, porque eles desenvolveram um método para separar espacialmente átomos com diferentes orientações de spin. Para este fim, a rede óptica é sobreposta com uma superrede de modo que um poço duplo é criado em cada local da rede. Em combinação com um gradiente magnético, isso resulta em um potencial que depende da orientação do spin. O grande desafio deste método é ajustar a rede óptica e a superrede com uma precisão de alguns nanômetros, ou seja, uma fração do comprimento de onda do laser.

"Em nosso sistema, podemos detectar furos simultaneamente, bem como ambos os estados de spin, "Dr. Christian Groß, líder do projeto, aponta. “Podemos investigar diretamente o ambiente de cada furo. Observamos, que a ordem é geralmente preservada, ou seja, que os spins dos átomos vizinhos esquerdo e direito são anti-alinhados. Como as imagens mostram cada giro e cada buraco, nós somos capazes, quanto a falar, 'tirar os buracos' em nossa avaliação. Essas medições não locais são um novo território experimental e abrem novas perspectivas para o estudo de fases exóticas da matéria. "

Agora, os cientistas planejam aplicar este método a cristais quânticos bidimensionais que são dopados com orifícios. Esta seria uma nova abordagem para simular sistemas dopados com buracos bidimensionais de elétrons correlacionados. Experimentos desse tipo podem levar a uma melhor compreensão da chamada supercondutividade de alta temperatura, detectada há 30 anos. O nome descreve o efeito de que, em certos compostos com camadas contendo cobre, a resistência elétrica desaparece já acima da temperatura de ebulição do nitrogênio líquido. Acredita-se que a interação entre defeitos e correlações antiferromagnéticas desempenhe um papel importante neste fenômeno intrigante.