13.12.2018

Gestreckter Quantenmagnetismus

Magnetische Ordnung dehnt sich bei Ver­dün­nung der Atome im Gitter aus.

Bei der Untersuchung von ultrakalten, in künstlichen Licht­kristallen gefan­genen Atomen ist es einem Forscher­team um Guillaume Salomon vom MPI für Quanten­optik gelungen, einen grund­legenden Effekt ein­dimen­sio­naler Quanten­systeme direkt zu beob­achten. Bei der Detek­tion von ein­zelnen Atomen konnten sie fest­stellen, dass sich die magne­tische Ordnung aus­dehnt, wenn die Atome im Gitter ver­dünnt werden. Die neuen Erkennt­nisse sind zum Beispiel im Zusammen­hang mit Hoch­tempe­ratur-Supra­leitern rele­vant, die Strom verlust­frei leiten können.

Abb.: Die Quantengas­mikro­skopie von Hubbard-Ketten zeigt gestreckte...
Abb.: Die Quantengas­mikro­skopie von Hubbard-Ketten zeigt gestreckte Spin-Korre­la­tionen. Oben: Synthe­tische Fermi-Hubbard-Ketten werden durch das Ein­fangen einer Spin-Mischung aus Lithium-6 Atomen in optischen Gittern reali­siert (rote und blaue Kugeln bezeichnen Auf- und Ab-Spins). Mit einem Quanten­gas­mikro­skop lässt sich das Systems bis auf Einzel­teil­chen- und Einzel­spin-Auf­lösung abbilden. Auf diese Weise ist es möglich, die Aus­wir­kungen von Dotie­rung und Spin-Polari­sa­tion auf Spin-Korre­la­tionen indi­vi­duell zu unter­suchen. Unten: Die Fourier-Trans­forma­tionen der Spin-Korre­la­tionen zeigen, wie sich die Perio­di­zität der magne­tischen Korre­la­tionen hin­sicht­lich der Dichte und der Spin-Polari­sa­tion ent­sprechend der Vorher­sagen der Luttinger-Flüssig­keits­theorie ver­ändert. (Bild: G. Salomon, MPQ)

„Ein entscheidendes Problem im Zusammenhang mit der Hoch­tempe­ratur-Supra­leitung ist das Ver­ständnis über das Zusammen­spiel von Magne­tismus und Dotie­rung, aus dem exo­tische elek­tro­nische Phasen ent­stehen können. Unser Wissen hängt jedoch stark von der Dimen­sion ab. Quanten­gas­experi­mente können helfen, die Lücke zwischen einer Dimen­sion und zwei Dimen­sionen zu schließen”, erklärt Salomon. Im Rahmen der aktu­ellen Studie reali­sierten die Forscher ein gut kontrol­liertes und klar geord­netes Fermi-Hubbard-Modell, indem sie eine Wolke aus Lithium-6 Atomen bei einer Tempe­ratur von sieben Nano­kelvin in einem Licht­kristall ein­fingen.

Das Fermi-Hubbard-Modell ist eines der einfachsten Modelle für elek­tro­nische Systeme, bei denen Wechsel­wir­kungen eine wichtige Rolle spielen. Es beschreibt das Ver­halten von Quanten­teil­chen in einem optischen Gitter, die magne­tisch ent­weder auf­wärts oder abwärts aus­ge­richtet sind und nur dann abstoßend inter­agieren, wenn sie sich am gleichen Platz befinden. Wenn sich an jedem Gitter­platz durch­schnitt­lich ein Atom befindet, prognos­ti­ziert das Modell eine anti­ferro­magne­tische Ord­nung, bei der sich die Spins auf benach­barten Plätzen ent­gegen­gesetzt aus­richten.

Wenn das System verdünnt wird und sich die Anzahl der Atome im Gitter redu­ziert, dann ändert sich die Perio­di­zität dieser magne­tischen Ord­nung: Ent­gegen­gesetzte Spins befinden sich in Folge nicht auf benach­barten Plätzen, sondern im Durch­schnitt weiter von­ein­ander ent­fernt. Die Spin-Korre­la­tionen werden dabei gestreckt und folgen dann nicht mehr der vom Gitter vor­ge­ge­benen Perio­di­zität. Dieser Effekt wird auch erwartet, wenn die Anzahl der Up- und Down-Spins unter­schied­lich ist. Mit der Technik der spin­auf­ge­lösten Quanten­gas­mikro­skopie ist es möglich, sowohl die Posi­tionen als auch die magne­tische Aus­rich­tung aller Atome gleich­zeitig abzu­bilden und Spin-Korre­la­tionen zu messen. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler das beschrie­bene Ver­halten der Spin-Korre­la­tionen beob­achten.

„Der faszinierendste Teil dieses Forschungsprojekts bestand darin, die Aus­wir­kungen von Spin-Polari­sa­tion und Dotie­rung auf Spin-Korre­la­tionen in einer Dimen­sion zu ent­wirren, in der eine Spin-Ladungs­trennung stattfindet. Die Fähigkeit, alle Spins und Teilchenpositionen in einem stark korrelierten Quanten-Vielteilchensystem zu messen, ermöglicht es, beliebige Korre­la­tions­funk­tionen zu berechnen, die nume­rischen Studien am Computer ähneln, und funda­mentale Vor­her­sagen trotz der end­lichen Tempe­ratur unserer Systeme quanti­tativ zu testen", so Salomon.

„Am Ende der Studie konnten wir im dotierten Fermi-Hubbard-Modell grund­legende Unter­schiede zwischen einer Dimen­sion und zwei Dimen­sionen beob­achten“, ergänzt Christian Groß, der Leiter der Forschungs­gruppe am MPI für Quanten­optik. „Unsere Ergeb­nisse sind ein wich­tiger Maß­stab für weitere Studien zum dimen­sio­nalen Über­gangs­regime, über das bis jetzt sehr wenig bekannt ist.“

MPQ / RK

Weitere Infos

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen