Studiando atomi ultrafreddi intrappolati in cristalli artificiali di luce, Guillaume Salomon, un postdoc presso il Max-Planck-Institute of Quantum Optics e un team di scienziati sono stati in grado di osservare direttamente un effetto fondamentale dei sistemi quantistici unidimensionali. Rilevando gli atomi uno per uno, il team ha osservato uno stiramento dell'ordinamento magnetico durante la diluizione degli atomi nel reticolo. Lo studio è stato condotto quest'anno nella Divisione guidata da Immanuel Bloch, un direttore presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica e professore presso l'Università Ludwig Maximilians di Monaco di Baviera. Le nuove scoperte sono rilevanti, Per esempio, in connessione con superconduttori ad alta temperatura che conducono elettricità senza perdite.

"Un problema cruciale relativo alla superconduttività ad alta temperatura è comprendere l'interazione tra magnetismo e drogaggio, da cui possono emergere fasi elettroniche esotiche. Però, la nostra conoscenza è fortemente dipendente dalla dimensionalità del sistema, e gli esperimenti sui gas quantistici possono aiutare a colmare il divario tra una e due dimensioni, "dice Guillaume Salomon, che si occupa di ricerca in questo campo dal 2014.

Nello studio attuale, gli scienziati del Max Planck Institute of Quantum Optics, insieme a ricercatori dei dipartimenti di fisica della Ludwig Maximilians University e dell'Università di Trento, hanno intrappolato una nuvola di atomi di litio-6 a 7 nanokelvin in un cristallo di luce per realizzare un modello di Fermi-Hubbard ben controllato e pulito.

Il modello di Fermi-Hubbard è il modello più semplice per i sistemi elettronici in cui le interazioni giocano un ruolo importante (cioè i sistemi fortemente correlati). Descrive atomi spin up o spin down in un reticolo che interagiscono repulsivamente solo se si trovano nello stesso sito. Quando c'è in media un atomo su ogni sito, l'ordinamento antiferromagnetico si verifica quando gli spin sui siti vicini sono anti-allineati.

Quando il sistema è diluito, il numero di atomi nel reticolo viene ridotto (drogato) e la periodicità di questo ordinamento magnetico cambia come una fisarmonica che si allunga. Invece di trovare spin opposti sui siti vicini, li troverete in media anti-allineati a distanze maggiori. Le correlazioni di spin sono quindi dette incommensurabili. Si prevede che tale effetto si verifichi anche quando il numero di spin su e giù differisce (polarizzazione di spin).

Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata microscopia a gas quantistica con risoluzione di spin, che consente di visualizzare contemporaneamente sia le posizioni che gli spin di tutti gli atomi, e per misurare le correlazioni di spin. Hanno osservato l'emergere di tali correlazioni di spin incommensurabili, che sono risultati variare linearmente con il drogaggio e la polarizzazione, in ottimo accordo con le previsioni teoriche.

"La parte più affascinante di questo progetto di ricerca è stata il districare gli effetti della polarizzazione dello spin e del drogaggio sulle correlazioni di spin in una dimensione in cui si verifica la separazione di spin-carica. La capacità di misurare tutti gli spin e le posizioni delle particelle in un quanto fortemente correlato Il sistema a molti corpi ci consente di calcolare funzioni di correlazione arbitrarie simili a studi numerici su un computer e di testare quantitativamente le previsioni fondamentali nonostante la temperatura finita dei nostri sistemi, "Spiega Salomone.

"Alla fine di questo studio, abbiamo osservato nel modello di Fermi-Hubbard drogato differenze fondamentali tra una dimensione e due dimensioni. I nostri risultati sono un importante punto di riferimento per ulteriori studi del regime di crossover dimensionale, di cui si sa molto poco fino ad ora, "aggiunge Christian Gross, chi dirige il gruppo di ricerca.