En general, Los físicos del estado sólido no pueden separar los dos procesos, para que no puedan responder la pregunta, si el orden magnético está realmente reducido, o si simplemente está oculto.

Los científicos de MPQ revelan un orden magnético oculto en cristales cuánticos unidimensionales dopados con agujeros.

El magnetismo es un fenómeno que experimentamos en la vida cotidiana con bastante frecuencia. La propiedad, que se observa en materiales como el hierro, es causado por la alineación de los espines de los electrones. Se esperan efectos aún más interesantes en caso de que los cristales magnéticos muestren agujeros, es decir., sitios de celosía que no están ocupados por un electrón. Debido a la interacción entre el movimiento del defecto y las correlaciones magnéticas de los espines de los electrones, el orden magnético parece estar suprimido. En general, Los físicos del estado sólido no pueden separar los dos procesos, para que no puedan responder la pregunta, si el orden magnético está realmente reducido, o si simplemente está oculto.

Ahora, un equipo de científicos alrededor del Dr. Christian Groß de la División de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos (director, profesor Immanuel Bloch) en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica ha demostrado que en los imanes cuánticos unidimensionales el orden magnético se conserva incluso cuando están dopado con agujeros:una manifestación directa de la separación de espín-carga (densidad). Los cristales cuánticos se prepararon mediante cadenas de átomos ultrafríos en una red óptica. La observación fue posible con una herramienta única que permite rastrear el movimiento de los agujeros y las excitaciones de giro por separado en un proceso de medición (Science, 4 de agosto de 2017). En el siguiente paso, los científicos planean extender el método a sistemas bidimensionales. Aquí, la interacción entre los agujeros y las correlaciones magnéticas es mucho más compleja. Podría conducir a la detección de fases exóticas de muchos cuerpos que podrían ser responsables de la aparición de superconductividad a alta temperatura.

El equipo de Garching comienza enfriando un conjunto de átomos fermiónicos de litio-6 hasta temperaturas extremadamente bajas, una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto. Luego, los átomos se capturan en un solo plano en una red óptica bidimensional que se crea mediante rayos láser. El plano, a su vez, se divide en unos 10 tubos unidimensionales a lo largo de los cuales pueden moverse los átomos. En el último paso los tubos están superpuestos con una red óptica que imita el potencial periódico que ven los electrones en un material real. En analogía con los electrones, los átomos de litio tienen un espín 1/2 (o momento magnético) que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En un experimento anterior con un sistema similar, los científicos han demostrado que por debajo de cierta temperatura, los momentos magnéticos de los átomos vecinos se alinean en direcciones opuestas, de modo que surgen correlaciones antiferromagnéticas.

En el experimento de seguimiento, investigan la influencia de los agujeros en el grado de orden del cristal cuántico. "Logramos una cierta cantidad de dopaje de agujeros asegurándonos de que la cantidad de átomos cargados en la red óptica sea menor que la cantidad de sitios de la red, "dice Timon Hilker, primer autor y candidato a doctorado en el experimento. "Ahora surgen las preguntas, si los agujeros son fijos o si pueden moverse, y cómo afectan el orden magnético del sistema ".

Todos conocemos la siguiente situación:si en un teatro un asiento en medio de una fila queda vacío, un movimiento atraviesa la multitud:uno por uno, los miembros de la audiencia se mueven hacia arriba, en otras palabras:el agujero migra. Algo similar se puede observar en el cristal cuántico sintético con la ayuda del microscopio cuántico de gas que visualiza la posición precisa de cada átomo o defecto en sus respectivos sitios de red. "Sin embargo, mucho en contraste con la silla vacía en el teatro, los agujeros en el cristal cuántico están deslocalizados. Su ubicación se determina en el mismo momento en que se miden, "Enfatiza Timon Hilker.

A primera vista, las fluctuaciones de los átomos en la red óptica ocultan las correlaciones antiferromagnéticas. Pero el equipo de Christian Groß puede mirar más de cerca, porque han desarrollado un método para separar espacialmente átomos con diferentes orientaciones de espín. Para tal fin, la celosía óptica se superpone con una superrejilla de modo que se crea un pozo doble en cada sitio de la celosía. En combinación con un gradiente magnético, esto da como resultado un potencial que depende de la orientación del espín. El gran desafío de este método es ajustar la celosía óptica y la superrejilla con una precisión de unos pocos nanómetros, es decir., una fracción de la longitud de onda del láser.

"En nuestro sistema podemos detectar simultáneamente agujeros y ambos estados de giro, "Dr. Christian Groß, líder del proyecto, Señala. "Podemos investigar directamente el entorno de cada hoyo. Observamos, que el orden se conserva en general, es decir., que los espines de los átomos vecinos izquierdo y derecho están anti-alineados. Porque las imágenes muestran cada giro y cada hoyo, somos capaces de, como para hablar, 'sacar los agujeros' en nuestra evaluación. Tales mediciones no locales son un nuevo territorio experimental y abren nuevas perspectivas para el estudio de fases exóticas de la materia ".

Ahora, los científicos planean aplicar este método a cristales cuánticos bidimensionales que están dopados con agujeros. Este sería un nuevo enfoque para simular sistemas bidimensionales de electrones correlacionados dopados con huecos. Experimentos de ese tipo podrían conducir a una mejor comprensión de la llamada superconductividad de alta temperatura que se detectó hace 30 años. El nombre describe el efecto de que en ciertos compuestos con capas que contienen cobre, la resistencia eléctrica desaparece ya por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido. Se cree que la interacción entre los defectos y las correlaciones antiferromagnéticas juega un papel importante en este desconcertante fenómeno.