Ao estudar átomos ultracold presos em cristais artificiais de luz, Guillaume Salomon, um pós-doutorado no Max-Planck-Institute of Quantum Optics e uma equipe de cientistas foram capazes de observar diretamente um efeito fundamental dos sistemas quânticos unidimensionais. Ao detectar os átomos um por um, a equipe observou um alongamento da ordem magnética ao diluir os átomos na rede. O estudo foi realizado este ano na Divisão liderada por Immanuel Bloch, um diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e professor da Universidade Ludwig Maximilians em Munique. As novas descobertas são relevantes, por exemplo, em conexão com supercondutores de alta temperatura que conduzem eletricidade sem perdas.

"Um problema crucial relacionado à supercondutividade de alta temperatura é entender a interação entre magnetismo e dopagem, de onde podem emergir fases eletrônicas exóticas. Contudo, nosso conhecimento é altamente dependente da dimensionalidade do sistema, e experimentos de gás quântico podem ajudar a preencher a lacuna entre uma e duas dimensões, "diz Guillaume Salomon, que está envolvido em pesquisas neste campo desde 2014.

No estudo atual, os cientistas do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, juntamente com pesquisadores dos departamentos de física da Ludwig Maximilians University e da University of Trento, capturaram uma nuvem de átomos de lítio-6 a 7 nanokelvin em um cristal de luz para realizar um modelo de Fermi-Hubbard bem controlado e limpo.

O modelo de Fermi-Hubbard é o modelo mais simples para sistemas eletrônicos em que as interações desempenham um papel importante (ou seja, sistemas fortemente correlacionados). Ele descreve átomos de spin up ou spin down em uma rede que interagem de forma repulsiva apenas se estiverem localizados no mesmo local. Quando há em média um átomo em cada local, o ordenamento antiferromagnético ocorre onde os spins em sites vizinhos são anti-alinhados.

Quando o sistema é diluído, o número de átomos na rede é reduzido (dopado) e a periodicidade dessa ordem magnética muda de maneira semelhante a um acordeão que é esticado. Em vez de encontrar spins opostos em sites vizinhos, será possível encontrá-los anti-alinhados em distâncias maiores, em média. As correlações de spin são então consideradas incomensuráveis. Esse efeito também deve ocorrer quando o número de spins para cima e para baixo diferem (polarização do spin).

Os cientistas usaram uma técnica chamada microscopia de gás quântica resolvida por spin, que permite a visualização das posições e spins de todos os átomos simultaneamente, e medir correlações de spin. Eles observaram o surgimento de tais correlações de spin incomensuráveis, que foram encontrados para variar linearmente com dopagem e polarização, em excelente acordo com as previsões teóricas.

"A parte mais fascinante deste projeto de pesquisa foi o desemaranhamento dos efeitos da polarização de spin e dopagem nas correlações de spin em uma dimensão onde ocorre a separação de carga de spin. A capacidade de medir todos os spins e posições das partículas em um quantum fortemente correlacionado sistema de muitos corpos nos permite calcular funções de correlação arbitrárias semelhantes a estudos numéricos em um computador e testar quantitativamente as previsões fundamentais, apesar da temperatura finita de nossos sistemas, "Salomon explica.

"No final deste estudo, observamos no modelo dopado de Fermi-Hubbard diferenças fundamentais entre uma dimensão e duas dimensões. Nossos resultados são uma referência importante para estudos futuros do regime de crossover dimensional, sobre o qual muito pouco se sabe até agora, "acrescenta Christian Gross, quem chefia o grupo de pesquisa.