Découvertes effrayantes : des physiciens de Princeton dévoilent les secrets du magnétisme cinétique

L’équipe de recherche a directement photographié l’objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron.

Tous les aimants ne sont pas identiques. Quand on pense au magnétisme, on pense souvent aux aimants qui collent à la porte d’un réfrigérateur. Pour ces types d’aimants, les interactions électroniques à l’origine du magnétisme sont comprises depuis environ un siècle, depuis les débuts de la mécanique quantique. Mais il existe de nombreuses formes différentes de magnétisme dans la nature, et les scientifiques découvrent encore les mécanismes qui les animent.

Maintenant, les physiciens de université de Princeton ont fait des progrès majeurs dans la compréhension d'une forme de magnétisme connue sous le nom de magnétisme cinétique, utilisant des atomes ultrafroids liés dans un réseau artificiel construit au laser. Leurs expériences, relatées dans un article publié cette semaine dans la revue Naturea permis aux chercheurs d'imager directement l'objet microscopique responsable de ce magnétisme, un type inhabituel de polaron, ou quasi-particule qui émerge dans un système quantique en interaction.

Comprendre le magnétisme cinétique

« C'est très excitant », a déclaré Waseem Bakr, professeur de physique à Princeton et auteur principal de l'article. « Les origines du magnétisme sont liées au mouvement des impuretés dans le réseau atomique, d'où le nom cinétique magnétisme. Ce mouvement est très inhabituel et conduit à un magnétisme robuste même à des températures très élevées. Combiné à la possibilité d’accorder le magnétisme avec le dopage (l’ajout ou la suppression de particules), le magnétisme cinétique est très prometteur pour les applications de dispositifs dans des matériaux réels.

Bakr et son équipe ont étudié cette nouvelle forme de magnétisme avec un niveau de détail jamais réalisé dans les recherches précédentes. Grâce au contrôle offert par les systèmes atomiques ultrafroids, les chercheurs ont pu visualiser, pour la première fois, la physique fine à l’origine du magnétisme cinétique.

Des chercheurs de Princeton ont directement visualisé les origines microscopiques d’un nouveau type de magnétisme. Crédit : Max Prichard, groupe Waseem Bakr à l'Université de Princeton

Outils avancés pour les découvertes quantiques

« Notre laboratoire a la capacité d'examiner ce système au niveau unique. atome et au niveau d'un site unique dans le réseau et prendre des « instantanés » des corrélations quantiques subtiles entre les particules du système », a déclaré Bakr.

Depuis plusieurs années, Bakr et son équipe de recherche étudient les états quantiques en expérimentant dans une chambre à vide des particules subatomiques ultra-froides appelées fermions. Ils ont conçu un appareil sophistiqué qui refroidit les atomes à des températures ultra-froides et les charge dans des cristaux artificiels appelés réseaux optiques créés à l'aide de faisceaux laser. Ce système a permis aux chercheurs d’explorer de nombreux aspects intéressants du monde quantique impliquant le comportement émergent d’ensembles de particules en interaction.

Fondements théoriques et perspectives expérimentales

L'un des premiers mécanismes théoriquement proposés pour le magnétisme, qui a jeté les bases des expériences actuelles de l'équipe, est connu sous le nom de ferromagnétisme de Nagaoka, du nom de son découvreur Yosuke Nagaoka. Les ferromagnétiques sont ceux dans lesquels les états de spin des électrons pointent tous dans la même direction.

Alors qu'un ferromagnétique à spins alignés est le type d'aimant le plus connu, dans le cadre théorique le plus simple, les électrons en forte interaction sur un réseau tendent en réalité vers l'antiferromagnétisme, dans lequel les spins s'alignent dans des directions alternées. Cette préférence pour l'anti-alignement des spins voisins résulte d'un couplage indirect de spins électroniques voisins appelé superéchange.

Cependant, Nagaoka a émis l'hypothèse que le ferromagnétisme pourrait également résulter d'un mécanisme totalement différent, déterminé par le mouvement d'impuretés ajoutées intentionnellement, ou dopants. Cela peut être mieux compris en imaginant un réseau carré bidimensionnel dans lequel chaque site du réseau, à une exception près, est occupé par un électron. Le site inoccupé (ou dopant du trou) erre dans le réseau.

Nagaoka a découvert que si le trou se déplace dans un environnement de spins alignés ou dans un ferromagnétique, les différentes trajectoires du mouvement quantique du trou interfèrent mécaniquement les unes avec les autres. Cela améliore la répartition de la position quantique du trou et réduit l’énergie cinétique, un résultat favorable.

L'héritage de Nagaoka et la mécanique quantique moderne

Le théorème de Nagaoka a rapidement été reconnu car il existe peu de preuves rigoureuses prétendant expliquer les états fondamentaux de systèmes d'électrons en forte interaction. Mais observer les conséquences par des expériences représentait un défi difficile à relever en raison des exigences strictes du modèle. Dans le théorème, les interactions devaient être infiniment fortes et un seul dopant était autorisé. Plus de cinq décennies après que Nagaoka ait proposé sa théorie, d’autres chercheurs ont réalisé que ces conditions irréalistes pouvaient être considérablement assouplies dans les réseaux à géométrie triangulaire.

L'expérience quantique et ses implications

Pour mener l’expérience, les chercheurs ont utilisé des vapeurs d’atomes de lithium-6. Cet isotope du lithium contient trois électrons, trois protons et trois neutrons. « Le nombre total impair en fait un isotope fermionique, ce qui signifie que les atomes se comportent de la même manière que les électrons dans un système à l'état solide », a déclaré Benjamin Spar, étudiant diplômé en physique à l'Université de Princeton et co-auteur principal de l'article.

Lorsque ces gaz sont refroidis à l'aide de faisceaux laser jusqu'à des températures extrêmes de seulement quelques milliardièmes de degré au-dessus. zéro absoluleur comportement commence à être régi par les principes de la mécanique quantique plutôt que par la mécanique classique plus familière.

Explorer les états quantiques à travers des configurations d'atomes froids

« Une fois que nous avons réalisé ce système quantique, la prochaine chose que nous faisons est de charger les atomes dans le réseau optique triangulaire. Dans la configuration des atomes froids, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle les atomes se déplacent ou la force avec laquelle ils interagissent les uns avec les autres », a déclaré Spar.

Dans de nombreux systèmes en interaction forte, les particules d’un réseau sont organisées en un « isolant Mott », qui est un état de la matière dans lequel une seule particule occupe chaque site du réseau. Dans cet état, il existe de faibles interactions antiferromagnétiques dues au superéchange entre les spins des électrons des sites voisins. Mais au lieu d’utiliser un isolant Mott, les chercheurs ont utilisé une technique appelée « dopage », qui soit élimine certaines particules, laissant ainsi des « trous » dans le réseau, soit ajoute des particules supplémentaires.

Dévoilement de nouvelles formes de magnétisme quantique

« Nous ne commençons pas avec un atome par site dans notre expérience », a déclaré Bakr. « Au lieu de cela, nous dopons le réseau avec des trous ou des particules. Et lorsque vous faites cela, vous constatez qu’il existe une forme de magnétisme beaucoup plus robuste qui est observée dans ces systèmes avec une échelle d’énergie plus élevée que le magnétisme de superéchange habituel. Cette échelle d’énergie est liée au saut des atomes dans le réseau.

En tirant parti des espacements de sites de réseau beaucoup plus grands dans les réseaux optiques par rapport aux matériaux réels, les chercheurs ont pu voir ce qui se passait au niveau d'un site unique avec un microscope optique. Ils ont découvert que les objets responsables de cette nouvelle forme de magnétisme sont un nouveau type de polaron magnétique.

Le rôle des polarons dans les systèmes quantiques

« Un polaron est une quasi-particule qui émerge dans un système quantique avec de nombreux constituants en interaction », a déclaré Bakr. « Elle agit comme une particule ordinaire, dans le sens où elle possède des propriétés telles qu’une charge, un spin et une masse effective, mais ce n’est pas une véritable particule comme un atome. Dans ce cas, il s’agit d’un dopant qui se déplace avec une perturbation de son environnement magnétique, ou de la façon dont les spins qui l’entourent sont alignés les uns par rapport aux autres.

Dans les matériaux réels, cette nouvelle forme de magnétisme a déjà été observée dans des matériaux dits moirés constitués de cristaux bidimensionnels empilés, et cela ne s'est produit que l'année dernière.

Sonder plus profondément le magnétisme quantique

« Les sondes de magnétisme disponibles pour ces matériaux sont limitées. Les expériences avec des matériaux moirés ont mesuré les effets macroscopiques, associés à la façon dont un grand morceau de matériau réagit lorsqu'un champ magnétique est appliqué », a déclaré Spar. « Grâce à la configuration des atomes froids, nous pouvons approfondir la physique microscopique responsable du magnétisme. Nous avons pris des images détaillées révélant les corrélations de spin autour des dopants mobiles. Par exemple, nous constatons qu’un dopant à trous s’entoure de spins anti-alignés lorsqu’il se déplace, tandis qu’un dopant à particules fait le contraire, s’entourant de spins alignés.

Ces recherches ont des implications considérables pour la physique de la matière condensée, allant même au-delà de la compréhension de la physique du magnétisme. Par exemple, on a émis l’hypothèse que des versions plus complexes de ces polarons conduisaient à des mécanismes permettant aux dopants de trous de s’apparier, ce qui pourrait entraîner une supraconductivité à haute température.

Orientations futures de la recherche sur le magnétisme quantique

« La partie la plus intéressante de cette recherche est qu'elle est réellement concomitante à des études sur la communauté de la matière condensée », a déclaré Max Prichard, étudiant diplômé et co-auteur principal de l'article. « Nous sommes dans une position unique pour fournir un aperçu d’un problème opportun sous un angle totalement différent, et toutes les parties en bénéficient. »

Pour l’avenir, les chercheurs conçoivent déjà des moyens nouveaux et innovants pour approfondir cette nouvelle forme exotique de magnétisme et étudier le polaron de spin plus en détail.

Prochaines étapes de la recherche sur Polaron

« Dans cette première expérience, nous avons simplement pris des instantanés du polaron, ce qui n'est que la première étape », a expliqué Prichard. « Mais nous souhaitons maintenant effectuer une mesure spectroscopique des polarons. Nous voulons voir combien de temps les polarons vivent dans le système en interaction, mesurer l'énergie qui lie les constituants d'un polaron et sa masse effective à mesure qu'il se propage dans le réseau. Il y a encore beaucoup à faire.

Les autres membres de l'équipe sont Zoe Yan, maintenant au Université de Chicago, et les théoriciens Ivan Morera, Université de Barcelone, Espagne, et Eugene Demler, Institut de physique théorique de Zurich, Suisse. Le travail expérimental a été soutenu par la National Science Foundation, le Army Research Office et la Fondation David et Lucile Packard.