Ogni punto verde rappresenta un singolo atomo di litio. I ricercatori usano un microscopio a gas quantistico per visualizzare gli atomi, che sono stati raffreddati a una frazione di grado sopra lo zero assoluto e intrappolati in posizione mediante laser. Credito:Peter Brown, Università di Princeton.
Usando atomi raffreddati ad appena miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, un team guidato da ricercatori della Princeton University ha scoperto un intrigante comportamento magnetico che potrebbe aiutare a spiegare come funziona la superconduttività ad alta temperatura.
I ricercatori hanno scoperto che l'applicazione di un forte campo magnetico a questi atomi ultrafreddi li ha portati ad allinearsi in uno schema alternato e ad allontanarsi l'uno dall'altro. Il comportamento, che i ricercatori chiamano "antiferromagnetismo inclinato, " è coerente con le previsioni di un modello vecchio di decenni utilizzato per capire come nasce la superconduttività in alcuni materiali. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Scienza .
"Nessuno ha mai osservato questo tipo di comportamento in questo sistema prima, " disse Waseem Bakr, assistente professore di fisica alla Princeton University. "Abbiamo usato i laser per creare cristalli artificiali e poi abbiamo esplorato cosa sta succedendo nei minimi dettagli, che è qualcosa che non puoi fare con un materiale di tutti i giorni."
L'esperimento, condotto su un tavolo nella Jadwin Hall di Princeton, consente l'esplorazione di un modello che descrive come i comportamenti quantistici danno origine alla superconduttività, uno stato in cui la corrente può fluire senza resistenza e che è apprezzato per la trasmissione di elettricità e la produzione di potenti elettromagneti. Mentre si comprende la base della superconduttività convenzionale, i ricercatori stanno ancora esplorando la teoria della superconduttività ad alta temperatura nei materiali a base di rame chiamati cuprati.
A causa della complessità dei cuprati, è difficile per i ricercatori studiarli direttamente per scoprire quali proprietà portano alla capacità di condurre corrente senza resistenza. Anziché, costruendo un cristallo sintetico usando laser e atomi ultrafreddi, i ricercatori possono porre domande altrimenti impossibili da affrontare.
Bakr e il suo team hanno raffreddato gli atomi di litio fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, una temperatura in cui gli atomi seguono le leggi della fisica quantistica. I ricercatori hanno utilizzato i laser per creare una griglia per intrappolare gli atomi ultrafreddi sul posto. La griglia, noto come reticolo ottico, può essere pensato come un portauova virtuale creato interamente dalla luce laser in cui gli atomi possono saltare da un pozzo all'altro.
Il team ha utilizzato il set-up per esaminare le interazioni tra singoli atomi, che può comportarsi in modo analogo a minuscoli magneti a causa di una proprietà quantistica chiamata spin. La rotazione di ciascun atomo può orientarsi verso l'alto o verso il basso. Se due atomi atterrano nello stesso sito, sperimentano una forte interazione repulsiva e si diffondono in modo che ci sia un solo atomo in ogni pozzo. Gli atomi nei pozzetti vicini del vassoio delle uova tendono ad avere i loro spin allineati l'uno di fronte all'altro.
Un team guidato dai ricercatori dell'Università di Princeton ha manipolato la direzione di rotazione dei singoli atomi a temperature molto basse utilizzando forti campi magnetici. Hanno scoperto un curioso comportamento chiamato "antiferromagnetismo inclinato" in cui gli spin preferiscono allinearsi su un piano bidimensionale ad angolo retto rispetto al campo. Il comportamento è previsto da un modello utilizzato per descrivere come funzionano i superconduttori ad alta temperatura. Credito:Peter Brown, Università di Princeton.
Questo effetto, chiamato antiferromagnetismo, avviene a temperature molto basse a causa della natura quantistica del sistema freddo. Quando i due tipi di popolazioni di spin sono approssimativamente uguali, gli spin possono ruotare in qualsiasi direzione fintanto che gli spin vicini rimangono anti-allineati.
Quando i ricercatori hanno applicato un forte campo magnetico agli atomi, hanno visto qualcosa di curioso. Utilizzando un microscopio ad alta risoluzione in grado di visualizzare i singoli atomi sui siti del reticolo, il team di Princeton ha studiato il cambiamento nelle correlazioni magnetiche degli atomi con l'intensità del campo. In presenza di un grande campo, gli spin vicini sono rimasti anti-allineati ma si sono orientati in un piano ad angolo retto rispetto al campo. Dando un'occhiata più da vicino, i ricercatori hanno visto che gli atomi allineati in modo opposto si inclinano leggermente nella direzione del campo in modo che i magneti fossero ancora rivolti in senso opposto ma non fossero allineati con precisione sul piano piatto.
Le correlazioni di spin erano state osservate l'anno scorso in esperimenti ad Harvard, il Massachusetts Institute of Technology, e l'Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera. Ma lo studio di Princeton è il primo ad applicare un campo forte agli atomi e ad osservare l'antiferromagnete inclinato.
Le osservazioni sono state previste dal modello di Fermi-Hubbard, creato per spiegare come i cuprati potrebbero essere superconduttori a temperature relativamente elevate. Il modello Fermi-Hubbard è stato sviluppato da Philip Anderson, Joseph Henry Professore di Fisica di Princeton, Emerito, che ha vinto un Premio Nobel per la Fisica nel 1977 per il suo lavoro sulle indagini teoriche della struttura elettronica dei sistemi magnetici e disordinati.
"Comprendere meglio il modello di Fermi-Hubbard potrebbe aiutare i ricercatori a progettare materiali simili con proprietà migliorate che possono trasportare corrente senza resistenza, " ha detto Bakr.
Lo studio ha anche esaminato cosa accadrebbe se alcuni degli atomi nel vassoio delle uova venissero rimossi, introducendo buchi nella griglia. I ricercatori hanno scoperto che quando veniva applicato il campo magnetico, la risposta concordata con misurazioni effettuate su cuprates. "Questa è un'ulteriore prova che il modello Fermi-Hubbard proposto è probabilmente il modello corretto per descrivere ciò che vediamo nei materiali, " ha detto Bakr.
Il team di Princeton comprendeva lo studente laureato Peter Brown, che ha condotto molti degli esperimenti ed è il primo autore dell'articolo. Ulteriori contributi agli esperimenti sono venuti da Debayan Mitra e Elmer Guardado-Sanchez, entrambi laureati in fisica, Peter Schauss, ricercatore associato in fisica, e Stanimir Kondov, un ex ricercatore post-dottorato che ora è alla Columbia University.
Lo studio ha incluso contributi alla comprensione della teoria di Ehsan Khatami della San José State University, Thereza Paiva all'Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi alla Ohio State University, e David Huse, Cyrus Fogg Brackett Professore di Fisica di Princeton.
