El equipo de investigación obtuvo imágenes directas del objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo inusual de polarón.

No todos los imanes son iguales. Cuando pensamos en magnetismo, a menudo pensamos en imanes que se adhieren a la puerta de un refrigerador. Para este tipo de imanes, las interacciones electrónicas que dan lugar al magnetismo se conocen desde hace aproximadamente un siglo, desde los inicios de la mecánica cuántica. Pero hay muchas formas diferentes de magnetismo en la naturaleza y los científicos aún están descubriendo los mecanismos que las impulsan.

Ahora los físicos Universidad de Princeton han logrado un gran avance en la comprensión de una forma de magnetismo conocida como magnetismo cinético, utilizando átomos ultrafríos unidos entre sí en una red artificial construida con láser. Sus experimentos, narrados en un artículo publicado esta semana en la revista Naturalezapermitió a los investigadores obtener imágenes directas del objeto microscópico responsable de este magnetismo, un tipo inusual de polarón o cuasipartícula que emerge en un sistema cuántico en interacción.

Comprender el magnetismo cinético

«Esto es muy emocionante», afirmó Waseem Bakr, profesor de física en Princeton y autor principal del artículo. “Los orígenes del magnetismo tienen que ver con el movimiento de las impurezas en la matriz atómica, de ahí el nombre cinético magnetismo. Este movimiento es muy inusual y conduce a un magnetismo robusto incluso a temperaturas muy altas. Combinado con la sintonización del magnetismo con dopaje (la adición o eliminación de partículas), el magnetismo cinético es muy prometedor para aplicaciones de dispositivos en materiales reales”.

Bakr y su equipo estudiaron esta nueva forma de magnetismo con un nivel de detalle no alcanzado en investigaciones anteriores. Con el control que proporcionan los sistemas atómicos ultrafríos, los investigadores pudieron visualizar, por primera vez, la refinada física que da origen al magnetismo cinético.

Los investigadores de Princeton han visualizado directamente los orígenes microscópicos de un nuevo tipo de magnetismo. Crédito: Max Prichard, Grupo Waseem Bakr de la Universidad de Princeton

Herramientas avanzadas para descubrimientos cuánticos

“Tenemos la capacidad en nuestro laboratorio de analizar este sistema en un solo átomo y a nivel de sitio único en la red y tomar 'instantáneas' de las sutiles correlaciones cuánticas entre partículas en el sistema”, dijo Bakr.

Durante varios años, Bakr y su equipo de investigación han estudiado los estados cuánticos experimentando con partículas subatómicas ultrafrías conocidas como fermiones en una cámara de vacío. Han desarrollado un sofisticado dispositivo que enfría átomos a temperaturas ultrafrías y los carga en cristales artificiales conocidos como redes ópticas creadas con rayos láser. Este sistema ha permitido a los investigadores explorar muchos aspectos interesantes del mundo cuántico relacionados con el comportamiento emergente de conjuntos de partículas que interactúan.

Fundamentos teóricos y conocimientos experimentales

Uno de los primeros mecanismos del magnetismo propuestos teóricamente y que sentó las bases para los experimentos actuales del equipo se conoce como ferromagnetismo de Nagaoka, que lleva el nombre de su descubridor Yosuke Nagaoka. Los ferromagnetos son aquellos en los que los estados de espín de los electrones apuntan todos en la misma dirección.

Aunque un ferroimán con espines alineados es el tipo de imán más familiar, en el escenario teórico más simple, los electrones que interactúan fuertemente en una red tienden en realidad al antiferromagnetismo, en el que los espines se alinean en direcciones alternas. Esta preferencia por la antialineación de espines vecinos se produce como resultado de un acoplamiento indirecto de espines de electrones vecinos conocido como superintercambio.

Sin embargo, Nagaoka teorizó que el ferromagnetismo también podría ser el resultado de un mecanismo completamente diferente, determinado por el movimiento de impurezas o dopantes añadidos intencionalmente. Esto se puede entender mejor imaginando una red cuadrada bidimensional en la que cada sitio de la red, con una excepción, esté ocupado por un electrón. El sitio desocupado (o agujero de dopaje) deambula por la red.

Nagaoka descubrió que si el agujero se mueve en un entorno alineado con espín o en un ferroimán, las diferentes trayectorias del movimiento del agujero interfieren mecánicamente entre sí. Esto aumenta la propagación de la posición cuántica del agujero y reduce la energía cinética, un resultado favorable.

El legado de Nagaoka y la mecánica cuántica moderna

El teorema de Nagaoka rápidamente ganó reconocimiento porque hay pocas pruebas rigurosas que pretendan explicar los estados fundamentales de los sistemas de electrones que interactúan fuertemente. Pero observar las consecuencias mediante experimentos planteó un desafío difícil debido a los estrictos requisitos del modelo. En el teorema, las interacciones debían ser infinitamente fuertes y solo se permitía un único dopante. Más de cinco décadas después de que Nagaoka propusiera su teoría, otros investigadores se dieron cuenta de que estas condiciones poco realistas podrían relajarse significativamente en redes con geometría triangular.

El experimento cuántico y sus implicaciones.

Para realizar el experimento, los investigadores utilizaron vapores de átomos de litio-6. Este isótopo de litio contiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. «El número total impar hace que este sea un isótopo fermiónico, lo que significa que los átomos se comportan de manera similar a los electrones en un sistema de estado sólido», dijo Benjamin Spar, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Princeton y coautor de la parte principal del artículo.

Cuando estos gases se enfrían mediante rayos láser a temperaturas extremas de apenas unas mil millonésimas de grado más altas. cero absolutosu comportamiento comienza a regirse por los principios de la mecánica cuántica en lugar de los principios de la mecánica clásica más familiar.

Explorando estados cuánticos a través de configuraciones de átomos fríos

“Una vez que logramos este sistema cuántico, lo siguiente que hacemos es cargar los átomos en la red óptica triangular. En la configuración del átomo frío, podemos controlar la rapidez con la que se mueven los átomos o la fuerza con la que interactúan entre sí”, dijo Spar.

En muchos sistemas que interactúan fuertemente, las partículas en una red se organizan en un «aislante de Mott», que es un estado de la materia en el que una sola partícula ocupa cada ubicación en la red. En este estado, hay interacciones antiferromagnéticas débiles debido al superintercambio entre el espín de los electrones en sitios vecinos. Pero en lugar de utilizar un aislante Mott, los investigadores utilizaron una técnica llamada «dopaje», que elimina algunas partículas, dejando así «agujeros» en la red, o añade partículas adicionales.

Revelando nuevas formas de magnetismo cuántico

«No comenzamos con un átomo por sitio en nuestro experimento», dijo Bakr. “En lugar de eso, dopamos la red con agujeros o partículas. Y cuando haces eso, descubres que hay una forma de magnetismo mucho más robusta que se observa en estos sistemas de mayor escala de energía que el magnetismo de superintercambio habitual. Esta escala de energía tiene que ver con el salto de los átomos en la red”.

Aprovechando los espacios mucho mayores entre los sitios de la red óptica en comparación con los materiales reales, los investigadores pudieron ver lo que estaba ocurriendo a nivel de un solo sitio con un microscopio óptico. Descubrieron que los objetos responsables de esta nueva forma de magnetismo son un nuevo tipo de polarón magnético.

El papel de los polarones en los sistemas cuánticos.

«Un polarón es una cuasipartícula que emerge en un sistema cuántico con muchos componentes que interactúan», dijo Bakr. “Actúa de manera muy similar a una partícula normal, en el sentido de que tiene propiedades como carga, espín y masa efectiva, pero no es una partícula real como un átomo. En este caso, es un dopante que se mueve con una perturbación en su entorno magnético, o cómo las rotaciones a su alrededor están alineadas entre sí”.

En materiales reales, esta nueva forma de magnetismo ya se había observado en los llamados materiales muaré, formados por cristales bidimensionales apilados, y esto no ocurrió hasta el año pasado.

Profundizando en el magnetismo cuántico

“Las sondas de magnetismo disponibles para estos materiales son limitadas. Los experimentos con materiales muaré han medido los efectos macroscópicos, asociados con cómo responde una gran pieza de material cuando se aplica un campo magnético”, dijo Spar. “Con la configuración del átomo frío, podemos profundizar en la física microscópica responsable del magnetismo. Tomamos imágenes detalladas que revelan las correlaciones de giro alrededor de los dopantes móviles. Por ejemplo, descubrimos que un dopante de agujeros se rodea de espines antialineados a medida que se mueve, mientras que un dopante de partículas hace lo contrario, rodeándose de espines alineados”.

Esta investigación tiene implicaciones de gran alcance para la física de la materia condensada más allá de la comprensión de la física del magnetismo. Por ejemplo, se ha planteado la hipótesis de que versiones más complejas de estos polarones conducen a mecanismos para el emparejamiento de dopantes de huecos, lo que podría dar lugar a superconductividad a altas temperaturas.

Direcciones futuras en la investigación del magnetismo cuántico

«La parte más interesante de esta investigación es que en realidad coincide con estudios en la comunidad de materia condensada», dijo Max Prichard, estudiante de posgrado y coautor principal del artículo. «Estamos en una posición única para brindar información sobre un tema oportuno desde un ángulo completamente diferente, y todas las partes se benefician».

De cara al futuro, los investigadores ya están ideando formas nuevas e innovadoras de investigar más a fondo esta nueva y exótica forma de magnetismo, e investigar el espín polarón con mayor detalle.

Próximos pasos en la investigación de Polaron

«En este primer experimento, simplemente tomamos fotografías de polarones, que es sólo el primer paso», dijo Prichard. “Pero ahora estamos interesados ​​en realizar una medición espectroscópica de polarones. Queremos ver cuánto tiempo viven los polarones en el sistema que interactúa, para medir la energía que une los componentes de un polarón y su masa efectiva a medida que se propaga en la red. Hay mucho más por hacer”.

Otros miembros del equipo son Zoe Yan, ahora en Universidad de Chicago, y los teóricos Ivan Morera, Universidad de Barcelona, ​​España, y Eugene Demler, Instituto de Física Teórica de Zurich, Suiza. El trabajo experimental fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación David y Lucile Packard.

Referencia: “Imágenes directas de polarones de espín en un sistema Hubbard cinéticamente frustrado” por Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan y Waseem S. Bakr, 8 de mayo de 2024. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07356-6