En général, les physiciens du solide ne sont pas capables de séparer les deux processus, donc ils ne peuvent pas répondre à la question, si l'ordre magnétique est bien réduit, ou s'il est simplement caché.

Les scientifiques du MPQ révèlent un ordre magnétique caché dans des cristaux quantiques unidimensionnels dopés avec des trous.

Le magnétisme est un phénomène que nous vivons assez souvent dans la vie de tous les jours. La propriété, qui est observé dans des matériaux tels que le fer, est causée par l'alignement des spins des électrons. Des effets encore plus intéressants sont attendus dans le cas où les cristaux magnétiques présentent des trous, c'est à dire., sites du réseau qui ne sont pas occupés par un électron. En raison de l'interaction entre le mouvement du défaut et les corrélations magnétiques des spins des électrons, l'ordre magnétique semble supprimé. En général, les physiciens du solide ne sont pas capables de séparer les deux processus, donc ils ne peuvent pas répondre à la question, si l'ordre magnétique est bien réduit, ou s'il est simplement caché.

Maintenant, une équipe de scientifiques autour du Dr Christian Groß de la division des systèmes quantiques à plusieurs corps (directeur du professeur Immanuel Bloch) à l'Institut Max Planck d'optique quantique a démontré que dans les aimants quantiques unidimensionnels, l'ordre magnétique est préservé même lorsqu'ils sont dopé avec des trous - une manifestation directe de la séparation spin-charge (densité). Les cristaux quantiques ont été préparés par des chaînes d'atomes ultrafroids dans un réseau optique. L'observation a été rendue possible avec un outil unique qui permet de suivre le mouvement des trous et les excitations de spin séparément dans un processus de mesure (Science, 4 août 2017). Dans la prochaine étape, les scientifiques prévoient d'étendre la méthode aux systèmes bidimensionnels. Ici, l'interaction entre les trous et les corrélations magnétiques est de loin plus complexe. Cela pourrait conduire à la détection de phases exotiques à plusieurs corps qui pourraient être responsables de l'apparition de la supraconductivité à haute température.

L'équipe de Garching commence par refroidir un ensemble d'atomes de lithium-6 fermioniques jusqu'à des températures extrêmement basses, un millionième de Kelvin au-dessus du zéro absolu. Les atomes sont ensuite capturés dans un seul plan dans un réseau optique bidimensionnel créé par des faisceaux laser. L'avion à son tour est divisé en une dizaine de tubes unidimensionnels le long desquels les atomes peuvent se déplacer. Dans la dernière étape, les tubes sont superposés avec un réseau optique qui imite le potentiel périodique que les électrons voient dans un matériau réel. Par analogie avec les électrons, les atomes de lithium portent un spin 1/2 (ou moment magnétique) qui peut pointer vers le haut ou vers le bas. Dans une expérience précédente avec un système similaire, les scientifiques ont montré qu'en dessous d'une certaine température, les moments magnétiques des atomes voisins s'alignent dans des directions opposées, de sorte que des corrélations antiferromagnétiques émergent.

Dans l'expérience de suivi, ils étudient l'influence des trous sur le degré d'ordre du cristal quantique. "Nous obtenons un certain dopage des trous en nous assurant que le nombre d'atomes chargés dans le réseau optique est inférieur au nombre de sites du réseau, " dit Timon Hilker, premier auteur et doctorant de l'expérimentation. "Maintenant, les questions se posent, si les trous sont fixes ou s'ils peuvent bouger, et comment ils affectent l'ordre magnétique du système."

Nous connaissons tous la situation suivante :si dans un théâtre un siège au milieu d'une rangée reste vide, un mouvement traverse la foule :un par un, les spectateurs montent, autrement dit :le trou migre. Quelque chose de similaire peut être observé dans le cristal quantique synthétique à l'aide du microscope à gaz quantique qui image la position précise de chaque atome ou défaut sur leurs sites de réseau respectifs. "Toutefois, contrairement à la chaise vide du théâtre, les trous du cristal quantique sont délocalisés. Leur emplacement est déterminé au moment même où ils sont mesurés, ", souligne Timon Hilker.

A première vue, les fluctuations des atomes dans le réseau optique masquent les corrélations antiferromagnétiques. Mais l'équipe de Christian Groß peut y regarder de plus près, parce qu'ils ont développé une méthode pour séparer spatialement des atomes avec des orientations de spin différentes. À cette fin, le réseau optique est superposé avec un super réseau de telle sorte qu'un double puits est créé sur chaque site de réseau. En combinaison avec un gradient magnétique, il en résulte un potentiel qui dépend de l'orientation du spin. Le grand défi de cette méthode est d'ajuster le réseau optique et le super-réseau avec une précision de quelques nanomètres, c'est à dire., une fraction de la longueur d'onde du laser.

"Dans notre système, nous pouvons détecter simultanément les trous ainsi que les deux états de spin, " Dr Christian Groß, chef de projet, fait remarquer. "Nous pouvons étudier directement l'environnement de chaque trou. Nous observons, que l'ordre est généralement conservé, c'est à dire., que les spins des atomes voisins gauche et droit sont anti-alignés. Parce que les images affichent chaque rotation et chaque trou, nous pouvons, quant à parler, « retirez les trous » dans notre évaluation. De telles mesures non locales sont un nouveau territoire expérimental et ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude des phases exotiques de la matière."

Maintenant, les scientifiques prévoient d'appliquer cette méthode à des cristaux quantiques bidimensionnels dopés avec des trous. Il s'agirait d'une nouvelle approche pour simuler des systèmes bidimensionnels d'électrons corrélés à trous dopés. Des expériences de ce type pourraient conduire à une meilleure compréhension de la supraconductivité à haute température détectée il y a 30 ans. Le nom décrit l'effet que dans certains composés avec des couches contenant du cuivre, la résistance électrique disparaît déjà au-dessus de la température d'ébullition de l'azote liquide. On pense que l'interaction entre les défauts et les corrélations antiferromagnétiques joue un rôle important dans ce phénomène déroutant.