La física del estado sólido ofrece una rica variedad de fenómenos intrigantes, varios de los cuales aún no se comprenden completamente. Los experimentos con átomos fermiónicos en redes ópticas se acercan mucho a imitar el comportamiento de los electrones en los cristales de estado sólido, formando así un cuanto controladosimulador para estos sistemas. Ahora, un equipo de científicos alrededor del profesor Immanuel Bloch y el Dr. Christian Groß en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han observado la aparición de un orden antiferromagnético en una longitud de correlación de varios sitios de la red en una cadena de átomos fermiónicos.Para el ferromagnetismo que experimentamos en la vida cotidiana, estos antiferromagnéticos se caracterizan por una alineación alterna del momento magnético elemental asociado con cada electrón o átomo. Combinando su microscopio de gas cuántico con técnicas avanzadas de manipulación local, los científicos pudieron observar simultáneamente el giro yla distribución de densidad con resolución de sitio único y ato únicom sensibilidad.Al acercarse a las condiciones que prevalecen en los cristales macroscópicos con sistemas cuánticos fermiónicos de muchos cuerpos, uno espera lograr una mejor comprensión de fenómenos como la llamada superconductividad de alta temperatura.
El experimento comenzó enfriando una nube de 6 átomos de litio fermiónicos a temperaturas extremadamente bajas, una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto. Estos fermiones ultrafríos fueron atrapados por campos de luz y forzados a un solo plano, que a su vez fueluego se dividió en varios tubos unidimensionales. Finalmente, se aplicó una red óptica a lo largo de los tubos que imita el potencial periódico que los electrones ven en un material real.
En promedio, las redes ópticas unidimensionales estaban completamente llenas, lo que significa que cada sitio de red estaba ocupado con exactamente un átomo. Dos estados cuánticos internos de los átomos de litio imitan el momento magnético de los electrones, que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajoMientras la temperatura del sistema sea alta en comparación con la interacción magnética entre estos giros, solo la distribución de densidad del sistema muestra un patrón regular dictado por la red óptica. Sin embargo, por debajo de cierta temperatura, los momentos magnéticos de los átomos vecinos sonse espera que se alinee, lo que conduce a correlaciones antiferromagnéticas ". Estas correlaciones surgen porque el sistema tiene como objetivo reducir su energía", explica Martin Boll, estudiante de doctorado en el experimento. "El mecanismo subyacente se llama" superexcambio ", lo que significa que el magnéticomomentos de átomos vecinos intercambian sus direcciones "
El equipo en torno a Christian Groß e Immanuel Bloch tuvo que enfrentar dos desafíos principales: Primero, fue necesario medir la densidad de partículas con alta resolución para identificar inequívocamente partículas individuales y agujeros en sus sitios de celosía individuales. Esto se logró con el gas cuántico.microscopio donde un objetivo de alta resolución toma imágenes de los átomos de una vez, de modo que se puede tomar una serie de instantáneas fotográficas del gas atómico. "El segundo desafío realmente grande fue la separación de los átomos en función de sus orientaciones magnéticas", dice Martin Boll."Con este fin, combinamos una superrejilla óptica con un gradiente magnético que desplazó los mínimos potenciales dependiendo de la orientación del momento magnético. Como consecuencia, los momentos magnéticos opuestos se separaron en dos sitios diferentes del potencial de doble pozo local creado por elsuperrejilla. En una serie de mediciones hemos ajustado este método a tal grado que obtuvimos una fidelidad de división de casi 100 por cientot "
Teniendo todas estas herramientas a mano, el equipo logró observar la aparición de correlaciones antiferromagnéticas que se extendieron en tres sitios, mucho más allá de los vecinos más cercanos ". Las simulaciones cuánticas con fermiones en redes ópticas son de particular interés porque pueden conducir a una mejorcomprensión de la llamada superconductividad de "alta temperatura" para la cual se cree que la interacción de agujeros y correlaciones antiferromagnéticas es crucial ", señala el Dr. Christian Groß." En el futuro cercano, podríamos incluso preparar nuestromuestras con cierto grado de dopaje de agujeros que se asemeja a las condiciones en materiales superconductores ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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