Generalmente, i fisici dello stato solido non sono in grado di separare i due processi, quindi non possono rispondere alla domanda, se l'ordine magnetico è effettivamente ridotto, o se è semplicemente nascosto.

Gli scienziati MPQ rivelano l'ordine magnetico nascosto nei cristalli quantistici unidimensionali drogati con buchi.

Il magnetismo è un fenomeno che sperimentiamo abbastanza spesso nella vita di tutti i giorni. La proprietà, che si osserva in materiali come il ferro, è causato dall'allineamento degli spin degli elettroni. Sono previsti effetti ancora più interessanti nel caso in cui i cristalli magnetici presentino buchi, cioè., siti reticolari non occupati da un elettrone. A causa dell'interazione tra il movimento del difetto e le correlazioni magnetiche degli spin dell'elettrone, l'ordine magnetico sembra essere soppresso. Generalmente, i fisici dello stato solido non sono in grado di separare i due processi, quindi non possono rispondere alla domanda, se l'ordine magnetico è effettivamente ridotto, o se è semplicemente nascosto.

Ora un team di scienziati intorno al Dr. Christian Groß della Divisione Sistemi Quantistici a molti corpi (direttore Professor Immanuel Bloch) presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica ha dimostrato che nei magneti quantistici unidimensionali l'ordine magnetico è preservato anche quando sono drogato con buchi – una manifestazione diretta della separazione spin-carica (densità). I cristalli quantistici sono stati preparati da catene di atomi ultrafreddi in un reticolo ottico. L'osservazione è stata resa possibile con uno strumento unico che consente di tracciare il movimento dei fori e le eccitazioni di spin separatamente in un processo di misurazione (Scienza, 4 agosto 2017). Nella fase successiva gli scienziati intendono estendere il metodo ai sistemi bidimensionali. Qui l'interazione tra buchi e correlazioni magnetiche è di gran lunga più complessa. Potrebbe portare al rilevamento di fasi esotiche a molti corpi che potrebbero essere responsabili del verificarsi di superconduttività ad alta temperatura.

Il team di Garching inizia con il raffreddamento di un insieme di atomi di litio-6 fermionici fino a temperature estremamente basse, un milionesimo di Kelvin sopra lo zero assoluto. Gli atomi vengono quindi catturati in un unico piano in un reticolo ottico bidimensionale creato da raggi laser. Il piano a sua volta è suddiviso in circa 10 tubi unidimensionali lungo i quali gli atomi possono muoversi. Nell'ultimo passaggio, ai tubi è sovrapposto un reticolo ottico che imita il potenziale periodico che gli elettroni vedono in un materiale reale. In analogia agli elettroni, gli atomi di litio portano uno spin 1/2 (o momento magnetico) che può puntare sia verso l'alto che verso il basso. In un precedente esperimento con un sistema simile gli scienziati hanno dimostrato che al di sotto di una certa temperatura i momenti magnetici degli atomi vicini si allineano in direzioni opposte così che emergono correlazioni antiferromagnetiche.

Nell'esperimento successivo studiano l'influenza dei buchi sul grado di ordine del cristallo quantistico. "Otteniamo una certa quantità di drogaggio dei fori assicurandoci che il numero di atomi caricati nel reticolo ottico sia inferiore al numero di siti del reticolo, "dice Timon Hilker, primo autore e dottorando all'esperimento. "Ora sorgono le domande, se i fori sono fissi o se possono muoversi, e come influenzano l'ordine magnetico del sistema."

Conosciamo tutti la seguente situazione:se in un teatro un posto in mezzo a una fila rimane vuoto, una mossa attraversa la folla:uno per uno, i membri del pubblico salgono – in altre parole:il buco migra. Qualcosa di simile può essere osservato nel cristallo quantistico sintetico con l'aiuto del microscopio a gas quantistico che visualizza la posizione precisa di ogni singolo atomo o difetto sui rispettivi siti reticolari. "Però, molto in contrasto con la sedia vuota del teatro, i fori nel cristallo quantistico sono delocalizzati. La loro posizione è determinata nel momento stesso in cui vengono misurati, "Sottolinea Timon Hilker.

A prima vista le fluttuazioni degli atomi nel reticolo ottico nascondono le correlazioni antiferromagnetiche. Ma il team di Christian Groß è in grado di dare un'occhiata più da vicino, perché hanno sviluppato un metodo per separare spazialmente atomi con diversi orientamenti di spin. A tal fine, il reticolo ottico è sovrapposto a un superreticolo in modo tale da creare un doppio pozzetto su ciascun sito reticolo. In combinazione con un gradiente magnetico questo si traduce in un potenziale che dipende dall'orientamento dello spin. La grande sfida di questo metodo è regolare il reticolo ottico e il superreticolo con una precisione di pochi nanometri, cioè., una frazione della lunghezza d'onda del laser.

"Nel nostro sistema possiamo rilevare simultaneamente buchi e entrambi gli stati di spin, "Dottor Christian Gross, capofila del progetto, sottolinea. "Possiamo investigare direttamente l'ambiente di ogni buca. Osserviamo, che l'ordine è generalmente mantenuto, cioè., che gli spin degli atomi vicini di sinistra e di destra sono anti-allineati. Perché le immagini mostrano ogni giro e ogni buca, siamo in grado di, come parlare, 'togli i buchi' nella nostra valutazione. Tali misurazioni non locali sono un nuovo territorio sperimentale e aprono nuove prospettive per lo studio delle fasi esotiche della materia".

Ora gli scienziati hanno in programma di applicare questo metodo a cristalli quantistici bidimensionali drogati con buchi. Questo sarebbe un nuovo approccio per simulare sistemi bidimensionali drogati con lacune di elettroni correlati. Esperimenti di questo tipo potrebbero portare a una migliore comprensione della cosiddetta superconduttività ad alta temperatura rilevata 30 anni fa. Il nome descrive l'effetto che in alcuni composti con strati contenenti rame la resistenza elettrica svanisce già al di sopra della temperatura di ebollizione dell'azoto liquido. Si ritiene che l'interazione tra difetti e correlazioni antiferromagnetiche svolga un ruolo importante in questo fenomeno sconcertante.