Chaque point vert représente un atome de lithium individuel. Les chercheurs utilisent un microscope à gaz quantique pour imager les atomes, qui ont été refroidis à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu et piégés en place à l'aide de lasers. Crédit :Peter Brown, Université de Princeton.
En utilisant des atomes refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a découvert un comportement magnétique intrigant qui pourrait aider à expliquer le fonctionnement de la supraconductivité à haute température.
Les chercheurs ont découvert que l'application d'un champ magnétique puissant à ces atomes ultrafroids les a amenés à s'aligner en alternance et à s'éloigner les uns des autres. Le comportement, que les chercheurs appellent « antiferromagnétisme incliné, " est cohérent avec les prédictions d'un modèle vieux de plusieurs décennies utilisé pour comprendre comment la supraconductivité apparaît dans certains matériaux. Les résultats ont été publiés dans la revue Science .
"Personne n'a observé ce type de comportement dans ce système auparavant, " a déclaré Waseem Bakr, professeur adjoint de physique à l'Université de Princeton. "Nous avons utilisé des lasers pour créer des cristaux artificiels, puis avons exploré ce qui se passe dans les détails microscopiques, ce qui est quelque chose que vous ne pouvez tout simplement pas faire dans un matériau de tous les jours."
L'expérience, menée sur une table dans le Jadwin Hall de Princeton, permet l'exploration d'un modèle décrivant comment les comportements quantiques donnent naissance à la supraconductivité, un état où le courant peut circuler sans résistance et qui est prisé pour la transmission d'électricité et la fabrication de puissants électro-aimants. Alors que la base de la supraconductivité conventionnelle est comprise, les chercheurs explorent toujours la théorie de la supraconductivité à haute température dans les matériaux à base de cuivre appelés cuprates.
En raison de la complexité des cuprates, il est difficile pour les chercheurs de les étudier directement pour découvrir quelles propriétés conduisent à la capacité de conduire le courant sans résistance. Au lieu, en construisant un cristal synthétique à l'aide de lasers et d'atomes ultrafroids, les chercheurs peuvent poser des questions auxquelles il serait autrement impossible de répondre.
Bakr et son équipe ont refroidi les atomes de lithium à quelques dizaines de milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, une température où les atomes suivent les lois de la physique quantique. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour créer une grille pour piéger les atomes ultrafroids en place. La grille, connu sous le nom de réseau optique, peut être considéré comme un plateau à œufs virtuel entièrement créé à partir de lumière laser dans lequel les atomes peuvent sauter d'un puits à l'autre.
L'équipe a utilisé la configuration pour examiner les interactions entre des atomes uniques, qui peuvent se comporter d'une manière analogue à de minuscules aimants en raison d'une propriété quantique appelée spin. Le spin de chaque atome peut être orienté vers le haut ou vers le bas. Si deux atomes atterrissent sur le même site, ils subissent une forte interaction répulsive et s'étalent de sorte qu'il n'y a qu'un seul atome dans chaque puits. Les atomes dans les puits voisins du plateau à œufs ont tendance à avoir leurs spins alignés l'un en face de l'autre.
Une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a manipulé la direction de spin d'atomes individuels à très basse température à l'aide de champs magnétiques puissants. Ils ont découvert un comportement curieux appelé « antiferromagnétisme incliné » où les spins préfèrent s'aligner dans un plan bidimensionnel à angle droit par rapport au champ. Le comportement est prédit par un modèle utilisé pour décrire le fonctionnement des supraconducteurs à haute température. Crédit :Peter Brown, Université de Princeton.
Cet effet, appelé antiferromagnétisme, se produit à des températures très basses en raison de la nature quantique du système froid. Lorsque les deux types de populations de spins sont à peu près égaux, les spins peuvent tourner dans n'importe quelle direction tant que les spins voisins restent anti-alignés.
Lorsque les chercheurs ont appliqué un puissant champ magnétique aux atomes, ils ont vu quelque chose de curieux. À l'aide d'un microscope haute résolution capable d'imager des atomes individuels sur les sites du réseau, l'équipe de Princeton a étudié l'évolution des corrélations magnétiques des atomes avec la force du champ. En présence d'un grand champ, les vrilles voisines restaient anti-alignées mais s'orientaient dans un plan à angle droit par rapport au champ. En regardant de plus près, les chercheurs ont vu que les atomes alignés de manière opposée s'inclinaient légèrement dans la direction du champ de sorte que les aimants étaient toujours face à face mais n'étaient pas alignés avec précision dans le plan plat.
Des corrélations de spin avaient été observées l'année dernière dans des expériences à Harvard, le Massachusetts Institute of Technology, et l'Université Ludwig Maximilian de Munich. Mais l'étude de Princeton est la première à appliquer un champ fort aux atomes et à observer l'antiferromagnétique incliné.
Les observations ont été prédites par le modèle de Fermi-Hubbard, créé pour expliquer comment les cuprates pourraient être supraconducteurs à des températures relativement élevées. Le modèle Fermi-Hubbard a été développé par Philip Anderson, Professeur de physique Joseph Henry de Princeton, Émérite, qui a remporté un prix Nobel de physique en 1977 pour ses travaux sur les études théoriques de la structure électronique des systèmes magnétiques et désordonnés.
« Mieux comprendre le modèle de Fermi-Hubbard pourrait aider les chercheurs à concevoir des matériaux similaires dotés de propriétés améliorées qui peuvent transporter du courant sans résistance, " dit Bakr.
L'étude a également examiné ce qui se passerait si certains des atomes dans le plateau à œufs étaient supprimés, introduire des trous dans la grille. Les chercheurs ont découvert que lorsque le champ magnétique était appliqué, la réponse était en accord avec les mesures effectuées sur les cuprates. "C'est une preuve supplémentaire que le modèle Fermi-Hubbard proposé est probablement le modèle correct pour décrire ce que nous voyons dans les matériaux, " dit Bakr.
L'équipe de Princeton comprenait l'étudiant diplômé Peter Brown, qui a mené de nombreuses expériences et est le premier auteur de l'article. Des contributions supplémentaires aux expériences sont venues de Debayan Mitra et Elmer Guardado-Sanchez, tous deux étudiants diplômés en physique, Pierre Schauss, chercheur associé en physique, et Stanimir Kondov, un ancien chercheur postdoctoral qui est maintenant à l'Université de Columbia.
L'étude comprenait des contributions à la compréhension de la théorie d'Ehsan Khatami de l'Université d'État de San José, Thereza Paiva à l'Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi à l'Université d'État de l'Ohio, et David Husse, Cyrus Fogg Brackett, professeur de physique de Princeton.
