תגליות מצמררות: הפיזיקאים של פרינסטון חושפים את סודות המגנטיות הקינטית

צוות המחקר דילם ישירות את האובייקט המיקרוסקופי האחראי למגנטיות זו, סוג יוצא דופן של פולרון.

לא כל המגנטים זהים. כשאנחנו חושבים על מגנטיות, אנחנו חושבים הרבה פעמים על מגנטים שנדבקים לדלת של מקרר. עבור סוגים אלה של מגנטים, האינטראקציות האלקטרוניות שמובילות למגנטיות היו מובנות במשך כמאה שנה, מאז ימיה הראשונים של מכניקת הקוונטים. אבל יש הרבה צורות שונות של מגנטיות בטבע, ומדענים עדיין מגלים את המנגנונים שמניעים אותם.

עכשיו, פיזיקאים מ אוניברסיטת פרינסטון עשו התקדמות משמעותית בהבנת צורת מגנטיות המכונה מגנטיות קינטית, תוך שימוש באטומים קרים במיוחד הקשורים בסריג מלאכותי שנבנה בלייזר. הניסויים שלהם, מתועדים במאמר שפורסם השבוע בכתב העת טֶבַעאפשרה לחוקרים לדמיין ישירות את האובייקט המיקרוסקופי האחראי למגנטיות הזו, סוג יוצא דופן של פולרון, או קוואזי-חלקיק שמגיח במערכת קוונטית המקיימת אינטראקציה.

הבנת מגנטיות קינטית

"זה מאוד מרגש", אמר וואסים בכר, פרופסור לפיזיקה בפרינסטון והמחבר הבכיר של המאמר. "מקורות המגנטיות קשורים לתנועה של זיהומים במערך האטומי, ומכאן השם קִינֵטִי מַגנֶטִיוּת. תנועה זו היא מאוד יוצאת דופן ומובילה למגנטיות חזקה אפילו בטמפרטורות גבוהות מאוד. בשילוב עם כוונון המגנטיות עם סימום – הוספה או הסרה של חלקיקים – מגנטיות קינטית מבטיחה מאוד עבור יישומי מכשירים בחומרים אמיתיים".

בכר וצוותו חקרו צורה חדשה זו של מגנטיות ברמת פירוט שלא מומשה במחקר קודם. בעזרת השליטה הניתנת על ידי מערכות אטומיות אולטרה-קרות, החוקרים הצליחו לדמיין, לראשונה, את הפיזיקה הדקיקה המולידה מגנטיות קינטית.

כלים מתקדמים לתגליות קוונטיות

"יש לנו את היכולת במעבדה שלנו להסתכל על המערכת הזו ביחיד אָטוֹם ורמת אתר בודד בסריג ולצלם 'תמונות' של המתאמים הקוונטיים העדינים בין החלקיקים במערכת", אמר בכר.

במשך כמה שנים, בכר וצוות המחקר שלו חקרו מצבים קוונטיים על ידי ניסויים עם חלקיקים תת-אטומיים אולטרה-קרים הידועים בשם פרמיונים בתא ואקום. הם המציאו מנגנון מתוחכם שמקרר אטומים לטמפרטורות אולטרה-קרות ומטעין אותם לתוך גבישים מלאכותיים הידועים כסריג אופטי שנוצר באמצעות קרני לייזר. מערכת זו אפשרה לחוקרים לחקור היבטים מעניינים רבים של העולם הקוונטי הכולל את ההתנהגות המתהווה של אנסמבלים של חלקיקים המקיימים אינטראקציה.

יסודות תיאורטיים ותובנות ניסויות

מנגנון אחד תיאורטי שהוצע מוקדם למגנטיות שהניח את התשתית לניסויים הנוכחיים של הצוות ידוע בשם פראמגנטיות Nagaoka, על שם מגלה יוסוקה Nagaoka. פרומגנטים הם כאלה שבהם מצבי הספין של האלקטרונים מצביעים כולם לאותו כיוון.

בעוד פרומגנט עם ספינים מיושרים הוא הסוג המוכר ביותר של מגנט, בסביבה התיאורטית הפשוטה ביותר, אלקטרונים בעלי אינטראקציה חזקה על סריג נוטים למעשה לאנטי-פרומגנטיות, שבה הספינים מתיישרים בכיוונים מתחלפים. העדפה זו לאנטי יישור של ספינים שכנים מתרחשת כתוצאה מצימוד עקיף של ספינים שכנים של אלקטרונים המכונה חילופי-על.

עם זאת, Nagaoka תיארה כי פרומגנטיות עשויה לנבוע גם ממנגנון שונה לחלוטין, כזה שנקבע על ידי התנועה של זיהומים שנוספו בכוונה, או דופטנטים. ניתן להבין זאת בצורה הטובה ביותר על ידי דמיון סריג מרובע דו מימדי שבו כל אתר סריג, למעט חריג אחד, תפוס על ידי אלקטרון. האתר הלא מאוכלס (או דופט החור) מסתובב בסריג.

Nagaoka מצא שאם החור נע בסביבה של ספינים מיושרים או פרומגנט, המסלולים השונים לתנועת החור קוונטים מפריעים זה לזה באופן מכני. זה משפר את ההתפשטות של המיקום הקוונטי של החור ומפחית את האנרגיה הקינטית, תוצאה חיובית.

המורשת של נאגאוקה ומכניקת הקוונטים המודרנית

המשפט של נגאוקה זכה להכרה במהירות מכיוון שיש מעט הוכחות קפדניות המתיימרות להסביר מצבי קרקע של מערכות של אלקטרונים המקיימים אינטראקציה חזקה. אבל התבוננות בהשלכות באמצעות ניסויים היווה אתגר קשה בגלל הדרישות המחמירות של המודל. במשפט, האינטראקציות היו צריכות להיות חזקות לאין ערוך ורק חומר דופן בודד הותר. במשך חמישה עשורים לאחר שנגאוקה הציע את התיאוריה שלו, חוקרים אחרים הבינו שניתן להרפות את התנאים הלא מציאותיים הללו באופן משמעותי בסריגים בעלי גיאומטריה משולשת.

הניסוי הקוונטי והשלכותיו

כדי לערוך את הניסוי השתמשו החוקרים באדים של אטומי ליתיום-6. איזוטופ זה של ליתיום מכיל שלושה אלקטרונים, שלושה פרוטונים ושלושה נויטרונים. "המספר הכולל המוזר הופך את זה לאיזוטופ פרמיוני, מה שאומר שהאטומים מתנהגים באופן דומה לאלקטרונים במערכת מוצק", אמר בנג'מין ספאר, סטודנט לתואר שני בפיזיקה באוניברסיטת פרינסטון ומחבר מוביל של המאמר.

כאשר גזים אלו מתקררים באמצעות קרני לייזר לטמפרטורות קיצוניות רק כמה מיליארדיות המעלה מעל אפס מוחלטההתנהגות שלהם מתחילה להיות נשלטת על ידי עקרונות מכניקת הקוונטים ולא על ידי המכניקה הקלאסית המוכרת יותר.

חקר מצבים קוונטיים באמצעות הגדרות אטום קר

"ברגע שהשגנו את המערכת הקוונטית הזו, הדבר הבא שאנחנו עושים הוא להעמיס את האטומים לתוך הסריג האופטי המשולש. במערך האטום הקר, אנחנו יכולים לשלוט באיזו מהירות אטומים נעים או באיזו עוצמה הם מתקשרים זה עם זה", אמר ספאר.

במערכות רבות המקיימות אינטראקציה חזקה, החלקיקים בסריג מאורגנים ל"מבודד מוט", שהוא מצב של חומר שבו חלקיק בודד תופס כל אתר של הסריג. במצב זה, יש אינטראקציות אנטי-פרומגנטיות חלשות עקב חילופי-על בין ספין של אלקטרונים באתרים שכנים. אבל במקום להשתמש במבודד Mott, החוקרים השתמשו בטכניקה שנקראת "סימום", אשר מסיר חלקיקים, ובכך משאיר "חורים" בסריג, או מוסיף חלקיקים נוספים.

חשיפת צורות חדשות של מגנטיות קוונטית

"אנחנו לא מתחילים עם אטום אחד לכל אתר בניסוי שלנו," אמר באקר. "במקום זאת, אנו מסמים את הסריג עם חורים או חלקיקים. וכשאתה עושה זאת, אתה מגלה שיש צורה הרבה יותר חזקה של מגנטיות הנצפית במערכות אלה עם סולם אנרגיה גבוה יותר מהמגנטיות הרגילה של חילופי-על. סולם האנרגיה הזה קשור לקפיצה של האטומים בסריג."

תוך מינוף מרווחי אתרי הסריג הגדולים בהרבה בסריגים אופטיים בהשוואה לחומרים אמיתיים, החוקרים הצליחו לראות מה מתרחש ברמת האתר הבודד בעזרת מיקרוסקופ אופטי. הם גילו שהעצמים האחראים לצורה חדשה זו של מגנטיות הם סוג חדש של פולרון מגנטי.

תפקידם של פולארונים במערכות קוונטיות

"פולרון הוא קוואזי-חלקיק שמופיע במערכת קוונטית עם מרכיבים רבים המקיימים אינטראקציה", אמר בכר. "הוא מתנהג מאוד כמו חלקיק רגיל, במובן שיש לו תכונות כמו מטען, ספין ומסה יעילה, אבל זה לא חלקיק ממשי כמו אטום. במקרה זה, מדובר בחומר דופט שמסתובב עם הפרעה לסביבה המגנטית שלו, או איך הספינים סביבו מיושרים זה לזה".

בחומרים אמיתיים, צורה חדשה זו של מגנטיות נצפתה בעבר במה שנקרא חומרי מוריה המורכבים מגבישים דו-ממדיים מוערמים, וזה התרחש רק בשנה האחרונה.

בדיקה עמוקה יותר למגנטיות קוונטית

"בדיקות המגנטיות הזמינות לחומרים אלה מוגבלות. ניסויים עם חומרי מוריה מדדו השפעות מקרוסקופיות, הקשורות לאופן שבו חתיכת חומר גדולה מגיבה כאשר מפעילים שדה מגנטי", אמר ספאר. "עם מערך האטום הקר, אנו יכולים לחפור עמוק לתוך הפיזיקה המיקרוסקופית האחראית למגנטיות. צילמנו תמונות מפורטות החושפות את מתאמי הספין סביב הדופנטים הניידים. לדוגמה, אנו מוצאים שחומר חומרי חומרי ריח מקיף את עצמו בספינים אנטי-מיושרים בזמן שהוא נע סביבו, בעוד שחומר חומרי אימום חלקיקים עושה את ההיפך, ומקיף את עצמו בספינים מיושרים".

למחקר הזה יש השלכות מרחיקות לכת בפיזיקה של החומר המעובה, אפילו מעבר להבנת הפיזיקה של מגנטיות. לדוגמה, גרסאות מורכבות יותר של הפולארונים הללו עלו בהשערה להוביל למנגנונים להזדווגות של חומרי ספיגת חורים, מה שעלול לגרום למוליכות-על בטמפרטורות גבוהות.

כיוונים עתידיים בחקר מגנטיות קוונטית

"החלק המרגש ביותר במחקר הזה הוא שהוא באמת במקביל ללימודים בקהילת החומר המעובה", אמר מקס פריצ'רד, סטודנט לתואר שני ומחבר מוביל של המאמר. "אנחנו בעמדה הייחודית לספק תובנות לבעיה בזמן מזווית אחרת לגמרי, וכל הצדדים מרוויחים."

במבט קדימה, החוקרים כבר ממציאים דרכים חדשות וחדשניות להמשיך ולחקור את צורת המגנטיות החדשה והאקזוטית הזו – ולחקור את הפולרון הספין בפירוט רב יותר.

השלבים הבאים בחקר פולרון

"בניסוי הראשון הזה, פשוט צילמנו תמונות של הפולרון, שזה רק הצעד הראשון", אמר פריצ'רד. "אבל אנחנו מעוניינים כעת לבצע מדידה ספקטרוסקופית של הפולארונים. אנו רוצים לראות כמה זמן חיים הפולארונים במערכת המקיימת אינטראקציה, כדי למדוד את האנרגיה הקושרת את מרכיבי הפולרון ואת המסה האפקטיבית שלו בזמן שהוא מתפשט בסריג. יש עוד הרבה מה לעשות".

חברים נוספים בצוות הם זואי יאן, כעת ב- אוניברסיטת שיקגו, והתיאורטיקנים איבן מורה, אוניברסיטת ברצלונה, ספרד, ויוג'ין דמלר, המכון לפיזיקה תיאורטית בציריך, שוויץ. העבודה הניסיונית נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, משרד המחקר של הצבא וקרן דיוויד ולוסייל פקארד.