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    Magnetismo cuántico estirado descubierto por simulación cuántica

    La microscopía cuántica de gases de las cadenas de Hubbard revela correlaciones de espín inconmensurables. | Arriba:las cadenas sintéticas de Fermi-Hubbard se realizan atrapando una mezcla de espín de átomos de litio-6 en redes ópticas (las esferas roja y azul indican espines hacia arriba y hacia abajo). La obtención de imágenes del sistema con una resolución de una sola partícula y un solo espín utilizando un microscopio de gas cuántico permite estudiar individualmente los efectos del dopaje y la polarización del espín en las correlaciones de espín. | Abajo:Las transformadas de Fourier de las correlaciones de espín revelan el cambio en la periodicidad de las correlaciones magnéticas con densidad y polarización. en excelente acuerdo con las predicciones de la teoría líquida de Luttinger. Crédito:Instituto Max Planck de Óptica Cuántica

    Al estudiar los átomos ultrafríos atrapados en cristales artificiales de luz, Guillaume Salomon, un postdoctorado en el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica y un equipo de científicos han podido observar directamente un efecto fundamental de los sistemas cuánticos unidimensionales. Al detectar los átomos uno por uno, el equipo observó un estiramiento del orden magnético al diluir los átomos en la red. El estudio se realizó este año en la División liderada por Immanuel Bloch, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y profesor de la Universidad Ludwig Maximilians de Munich. Los nuevos hallazgos son relevantes, por ejemplo, en conexión con superconductores de alta temperatura que conducen la electricidad sin pérdidas.

    "Un problema crucial relacionado con la superconductividad de alta temperatura es comprender la interacción entre el magnetismo y el dopaje, de donde pueden surgir exóticas fases electrónicas. Sin embargo, nuestro conocimiento depende en gran medida de la dimensionalidad del sistema, y los experimentos de gases cuánticos pueden ayudar a cerrar la brecha entre una y dos dimensiones, "dice Guillaume Salomon, quien ha estado involucrado en la investigación en este campo desde 2014.

    En el estudio actual, los científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, junto con investigadores de los departamentos de física de la Universidad Ludwig Maximilians y la Universidad de Trento atraparon una nube de átomos de litio-6 a 7 nanokelvin en un cristal de luz para realizar un modelo de Fermi-Hubbard limpio y bien controlado.

    El modelo de Fermi-Hubbard es el modelo más simple para sistemas electrónicos en los que las interacciones juegan un papel importante (es decir, sistemas fuertemente correlacionados). Describe el giro hacia arriba o hacia abajo de los átomos en una red que interactúan de manera repulsiva solo si están ubicados en el mismo sitio. Cuando hay en promedio un átomo en cada sitio, El ordenamiento antiferromagnético ocurre cuando los giros en sitios vecinos están anti-alineados.

    Cuando el sistema se diluye, el número de átomos en la red se reduce (dopado) y la periodicidad de este orden magnético cambia de manera similar a un acordeón que se estira. En lugar de encontrar giros opuestos en sitios vecinos, uno los encontrará anti-alineados a distancias mayores en promedio. Entonces se dice que las correlaciones de espín son inconmensurables. También se espera que este efecto ocurra cuando el número de espines ascendentes y descendentes difiere (polarización de espines).

    Los científicos utilizaron una técnica llamada microscopía de gas cuántica resuelta por espín, lo que le permite a uno visualizar las posiciones y los espines de todos los átomos simultáneamente, y medir las correlaciones de espín. Observaron la aparición de tales correlaciones de espín inconmensurables, que variaron linealmente con el dopaje y la polarización, en excelente acuerdo con las predicciones teóricas.

    "La parte más fascinante de este proyecto de investigación ha sido el desenredo de los efectos de la polarización de espín y el dopaje en las correlaciones de espín en una dimensión donde se produce la separación espín-carga. La capacidad de medir todos los espines y posiciones de partículas en un cuanto cuántico fuertemente correlacionado El sistema de muchos cuerpos nos permite calcular funciones de correlación arbitrarias similares a los estudios numéricos en una computadora y probar cuantitativamente las predicciones fundamentales a pesar de la temperatura finita de nuestros sistemas. "Salomon explica.

    "Al final de este estudio, observamos en el modelo de Fermi-Hubbard dopado diferencias fundamentales entre una dimensión y dos dimensiones. Nuestros resultados son un punto de referencia importante para futuros estudios del régimen de cruce dimensional, de la que se sabe muy poco hasta ahora, "añade Christian Gross, quien encabeza el grupo de investigación.

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