Analizzando immagini composte da punti colorati create da simulatori quantistici, i ricercatori dell'ETH hanno studiato un tipo speciale di magnetismo. In futuro questo metodo potrebbe essere utilizzato anche per risolvere altri enigmi della fisica, ad esempio nel campo della superconduttività.
Da vicino sembrano tanti punti colorati, ma da lontano si vede un quadro complesso e ricco di dettagli:utilizzando la tecnica del puntinismo, nel 1886 George Seurat creò il capolavoro "Una domenica pomeriggio sull'isola della Grande Jatte". In modo simile, Eugene Demler e i suoi colleghi dell’ETH di Zurigo studiano sistemi quantistici complessi costituiti da molte particelle interagenti. Nel loro caso, i punti non vengono creati tamponando un pennello, ma piuttosto rendendo visibili i singoli atomi in laboratorio.
Insieme ai colleghi di Harvard e Princeton, il gruppo di Demler ha ora utilizzato il nuovo metodo, che chiamano "puntinismo quantistico", per dare uno sguardo più da vicino a un tipo speciale di magnetismo.
I ricercatori hanno appena pubblicato i loro risultati in due articoli sulla rivista Nature con titoli "Osservazione dei polaroni di Nagaoka in un simulatore quantistico di Fermi-Hubbard" e "Imaging diretto dei polaroni di spin in un sistema di Hubbard cineticamente frustrato."
"Questi studi rappresentano un cambiamento di paradigma nella nostra comprensione di tali fenomeni quantistici magnetici. Fino ad ora non eravamo in grado di studiarli in dettaglio", afferma Demler. Tutto è iniziato circa due anni fa all’ETH. Il gruppo di Ataç Imamoğlu ha studiato sperimentalmente materiali speciali con un reticolo cristallino triangolare (materiali moiré costituiti da dichalcogenuri di metalli di transizione).
Quando Demler e il suo postdoc Ivan Morera hanno analizzato i dati di Imamoğlu, hanno riscontrato una peculiarità che suggeriva un tipo di magnetismo che in precedenza era stato previsto solo teoricamente.
"In questo magnetismo cinetico, alcuni elettroni che si muovono all'interno del reticolo cristallino possono magnetizzare il materiale", spiega Morera.
Nell'esperimento di Imamoğlu questo effetto, noto tra gli esperti come meccanismo Nagaoka, potrebbe essere rilevato per la prima volta in un solido misurando, tra le altre cose, la suscettibilità magnetica, ovvero la forza con cui il materiale reagisce a un campo magnetico esterno.
"Questa rilevazione era basata su prove molto forti. Per una prova diretta, tuttavia, si dovrebbe misurare lo stato degli elettroni - la loro posizione e direzione di rotazione - simultaneamente in diversi punti all'interno del materiale", afferma Demler.
In un solido, tuttavia, ciò non è possibile con i metodi convenzionali. Al massimo, i ricercatori possono usare la diffrazione di raggi X o di neutroni per scoprire come gli spin degli elettroni si relazionano tra loro in due posizioni:la cosiddetta correlazione di spin. Le correlazioni tra complesse disposizioni di spin ed elettroni aggiuntivi o mancanti non possono essere misurate in questo modo.
Per rendere ancora visibili i complessi processi del meccanismo Nagaoka, che Demler e Morera avevano calcolato utilizzando un modello, si sono rivolti ai colleghi di Harvard e Princeton. Lì, i gruppi di ricerca guidati da Markus Greiner e Waseem Bakr hanno sviluppato simulatori quantistici che possono essere utilizzati per ricreare con precisione le condizioni all'interno di un solido.
Invece di elettroni che si muovono all’interno di un reticolo di atomi, in tali simulatori i ricercatori statunitensi utilizzano atomi estremamente freddi intrappolati all’interno di un reticolo ottico costituito da fasci di luce. Le equazioni matematiche che descrivono gli elettroni all'interno del solido e gli atomi all'interno del reticolo ottico, tuttavia, sono quasi identiche.
Istantanee colorate del sistema quantistico
Usando un microscopio a forte ingrandimento, i gruppi di Greiner e Bakr furono in grado non solo di risolvere le posizioni dei singoli atomi, ma anche le loro direzioni di spin. Hanno tradotto le informazioni ottenute da queste istantanee del sistema quantistico in grafici colorati che potrebbero essere paragonati alle immagini divisioniste teoriche.
Demler e i suoi colleghi avevano teoricamente calcolato, ad esempio, come un singolo elettrone in più nel meccanismo di Nagaoka formi una coppia con un altro elettrone di spin opposto e poi si muova attraverso il reticolo triangolare del materiale come un doblone.
Secondo la previsione di Demler e Morera, quel doblone dovrebbe essere circondato da una nuvola di elettroni le cui direzioni di spin sono parallele, o ferromagnetiche. Una tale nube è anche conosciuta come polarone magnetico.
Questo è esattamente ciò che i ricercatori americani hanno visto nei loro esperimenti. Inoltre, se mancava un atomo nel reticolo ottico cristallino del simulatore quantistico - che corrisponde a un elettrone mancante o "buco" nel cristallo reale - allora la nuvola che si formava attorno a quel buco era costituita da coppie di atomi i cui spin puntavano in direzione opposta. indicazioni, proprio come avevano previsto Demler e Morera.
Questo ordine antiferromagnetico (o, più precisamente:correlazioni antiferromagnetiche) era stato precedentemente rilevato indirettamente anche in un esperimento sullo stato solido presso la Cornell University negli Stati Uniti. Nel simulatore quantistico, ora è diventato direttamente visibile.
"Per la prima volta abbiamo risolto un enigma della fisica utilizzando esperimenti sia sul solido 'reale' che nel simulatore quantistico. Il nostro lavoro teorico è il collante che tiene tutto insieme", afferma Demler. È fiducioso che in futuro il suo metodo sarà utile anche per risolvere altri problemi complicati.
Ad esempio, il meccanismo che provoca la formazione della nube di polaroni magnetici potrebbe svolgere un ruolo importante anche nei superconduttori ad alta temperatura.
Ulteriori informazioni: Martin Lebrat et al, Osservazione dei polaroni di Nagaoka in un simulatore quantistico di Fermi-Hubbard, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07272-9
Max L. Prichard et al, Imaging diretto dei polaroni di spin in un sistema Hubbard cineticamente frustrato, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07356-6
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da ETH Zurigo
