プリンストンの物理学者が運動磁気の秘密を解明

物理学者 プリンストン大学 彼らは、この磁気の原因となる微小な物体、珍しいタイプのポーラロンを直接画像化しました。

すべての磁石が同じというわけではありません。 磁気というと冷蔵庫のドアにくっつく磁石を思い浮かべる方が多いと思います。 これらのタイプの磁石については、磁気を引き起こす電子相互作用は、量子力学の初期の頃から約 1 世紀にわたって理解されてきました。 しかし、自然界にはさまざまな形の磁気があり、科学者たちは磁気を駆動するメカニズムをまだ発見しています。

現在、プリンストン大学の物理学者らは、レーザーで作られた人工格子に結合した超低温原子を使用して、運動磁気として知られる磁気の一形態の理解において大きな進歩を遂げた。 彼らの経験は、今週ジャーナルに掲載された研究論文に記録されています。 自然これにより、研究者らは、相互作用する量子系に現れる、この磁性の原因となる微小な物体、珍しいタイプのポーラロン、または準粒子を直接画像化することができた。

動磁気を理解する

「これは非常に興味深いことです」と、プリンストン大学の物理学教授であり、この研究の筆頭著者であるワシーム・バクル氏は語った。 「磁気の起源は原子マトリックス中の不純物の動きに関係しているため、この名前が付けられました。 動力学 磁気。 この動きは非常にまれで、非常に高温でも強い磁気が発生します。 ドーピングによる磁性の調整（粒子の追加または除去）の可能性と組み合わせると、動的磁気は実際の材料でのデバイス用途に非常に有望です。

バクル氏と彼のチームは、この新しい形態の磁性を、これまでの研究では達成できなかった詳細レベルで研究しました。 超低温原子系による制御のおかげで、研究者らは初めて、運動磁気を引き起こす正確な物理現象を視覚化することができた。

プリンストン大学の研究者らは、新しいタイプの磁気の起源を顕微鏡で直接画像化した。 画像クレジット: Max Pritchard、プリンストン大学 Waseem Bakr コレクション

量子発見のための高度なツール

「私たちの研究室には、このシステムを個別に調べる能力があります。 トウモロコシ 「研究者らはネットワーク内の単一の場所のレベルを監視し、システム内の粒子間の正確な量子相関のスナップショットを撮っています」とベイカー氏は述べた。

バクル氏と彼の研究チームは数年間、真空チャンバー内でフェルミオンとして知られる超低温の素粒子を実験することで量子状態を研究してきた。 彼らは、原子を極低温まで冷却し、レーザーを使用して作成された光格子として知られる人工結晶内に原子を保持する高度な装置を作成しました。 このシステムにより、研究者は相互作用する粒子のグループの創発的な挙動など、量子の世界の多くの興味深い側面を探索できるようになりました。

理論的基礎と実験的洞察

研究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 1 つは、発見者長岡洋介にちなんで名付けられた長岡強磁性として知られています。 強磁性体は、すべての電子スピン状態が同じ方向を向いているものです。

スピンが揃った強磁性体は最も一般的なタイプの磁石ですが、最も単純な理論的設定では、格子上の強く相互作用する電子は実際に反強磁性の傾向があり、スピンが交互の方向に並んでいます。 隣接するスピンの整列に抵抗するこの優先性は、超交換として知られる隣接する電子スピンの間接的な結合の結果として発生します。

しかし、ナガオカ氏は、強磁性は全く異なるメカニズム、つまり意図的に添加された不純物の動きやドーピングによって決定されるメカニズムによっても生じる可能性があると理論づけた。 これは、1 つを除くすべての格子サイトが電子によって占有されている 2 次元正方格子を想像すると最もよく理解できます。 占有されていないサイト (または同様のホール) がネットワーク上を徘徊します。

長岡氏は、平行スピンまたは強磁性体のある環境でホールが移動すると、量子ホールの運動の異なる経路が互いに機械的に干渉することを発見した。 これにより、量子ホールのサイト外への伝播が強化され、運動エネルギーが減少します。これは前向きな結果です。

長岡の遺産と現代量子力学

長岡の理論は、強く相互作用する電子の系の基本状態を説明すると主張する厳密な証明がほとんどなかったため、すぐに認知されました。 しかし、モデルの要件が厳格であるため、実験を通じて結果を監視することは困難な課題でした。 理論的には、反応は無限に強く、ドーパントは 1 つだけ許可されるはずです。 長岡氏が理論を提唱してから 50 年以上が経ち、他の研究者たちは、三角形の幾何学形状をもつネットワークではこれらの非現実的な条件が大幅に緩和される可能性があることに気づきました。

量子実験とその効果

実験を行うために、研究者らはリチウム6原子の蒸気を使用した。 このリチウム同位体には、電子が 3 つ、陽子が 3 つ、中性子が 3 つあります。 「奇数の合計数により、これはフェルミオン同位体になります。つまり、原子は固体系では電子と同じように動作します」と、プリンストン大学の物理学大学院生であり、この研究の共著者であるベンジャミン・スパー氏は述べた。

これらのガスがレーザーを使用してわずか数十億分の1度の極端な温度まで冷却されると、 絶対零度彼らの行動は、より馴染みのある古典力学ではなく、量子力学の原理に従い始めます。

冷たい原子の設定を通じて量子状態を探索する

「この量子システムを実現したら、次に行うことは、原子を三角光格子にロードすることです」とスパー氏は言います。「コールド原子の設定では、原子の移動速度や原子間の相互作用の強さを制御できます。他の。”

多くの高度に相互作用する系では、格子内の粒子は「死の絶縁体」、つまり単一の粒子が格子の各サイトを占める物質の状態に組織されています。 この場合、隣接するサイトの電子スピン間の過剰な交換により、弱い強磁性相互作用が存在します。 しかし、研究者らは、染色バッファーを使用する代わりに、一部の分子を除去してメッシュに「穴」を残すか、追加の分子を追加する「グラフティング」と呼ばれる技術を使用しました。

新しい形の量子磁性を解明する

「私たちの実験では、サイトごとに 1 つの種子から始めるわけではありません」とベイカー氏は言う。 「代わりに、格子を穴または分子で覆います。そしてそれを行うと、通常の超交換磁性よりも高いエネルギースケールでこれらの系で観察されるはるかに強力な磁気形態があることがわかります。このエネルギースケールは格子内を飛び回る原子と関係があるのです。」

実際の材料と比較して光ネットワーク内の格子サイト間の距離が大きいことを利用して、研究者ら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かを見ることができました。 彼らは、この新しい形態の磁気の原因となる物体が新しいタイプの磁極であることを発見しました。

量子システムにおけるポーラロンの役割

「ポーラロンは、多くの相互作用成分を含む量子系に現れる準粒子です」とベイカー氏は述べた。 「これは通常の粒子と非常によく似た動作をします。つまり、電荷、スピン、有効質量などの特性を持っていますが、この場合、磁性環境の乱れとともに移動するドーピング材料です。しかし、原子のような実際の粒子ではありません。 、またはスピンが互いに対してどのように配置されているか。

実際のマテリアルでは、この新しい形の磁性は、積み重なった 2D 結晶で構成されるいわゆるモアレ マテリアルで以前に観察されており、これは昨年になって初めて発生しました。

量子磁性をさらに深く調査する

「これらの材料に利用できる磁性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、磁場が印加されたときに大きな材料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。」とスパー氏は述べています。磁気の原因となる微細構造の物理学をさらに深く掘り下げます。 私たちは、モバイルドーピングに関するスピン相関を明らかにする詳細な画像を撮影しました。 たとえば、穴で満たされた周囲は、移動するにつれて反整列スピンでそれ自体を取り囲みますが、強化された粒子はその逆で、コヒーレントなスピンでそれ自体を取り囲みます。

この研究は、磁性の物理学を理解することを超えて、物性物理学に広範な影響を及ぼします。 たとえば、これらのポーラロンのより複雑なバージョンは、正孔ドーピング結合機構を引き起こし、高温での超伝導を引き起こす可能性があるという仮説が立てられています。

量子磁性研究の今後の方向性

「この研究の最も興味深い点は、それが凝縮物質コミュニティの研究と実際に一致していることです」と、大学院生で論文の共著者であるマックス・プリチャード氏は述べた。 「私たちは、まったく異なる角度から問題に対するタイムリーな洞察を提供できる独自の立場にあり、すべての関係者が恩恵を受けるでしょう。」

将来に目を向けると、研究者たちはすでに、この奇妙な新しい形の磁性をさらに調査し、スピン極性をより詳細に調査するための新しく革新的な方法を考案しています。

ポーラロン研究の次のステップ

「この最初の実験では、単にポーラロンのスナップショットを撮っただけですが、これは単なる最初のステップです」とプリチャード氏は語った。 「しかし今、私たちはポーラロンの分光測定を行うことに興味を持っています。私たちは、ポーラロンが相互作用系の中でどのくらい長く生存するのかを知り、電極成分に結合するエネルギーと、それらが格子内を伝播するときの有効質量を測定したいと考えています。やるべきことはもっとたくさんあるよ。」

チームの他のメンバーは現在、ゾーイ・ヤンです。 シカゴ大学スペインのバルセロナ大学の理論家イヴァン・モレイラ氏とスイスのチューリッヒの理論物理学研究所のユージン・デムラー氏。 この実験研究は、国立科学財団、陸軍研究局、デイビッド＆ルシル・パッカード財団の支援を受けました。

参考文献: Max L. Pritchard、Benjamin M. Spar、Ivan Moreira、Eugene Demmler、Zoe Z. Yan、および Wasim S. 著「動力学的にフラストレートしたハバード システムにおけるスピン極の直接イメージング」 バクル、2024 年 5 月 8 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07356-6