Korrelierte Magnete aus einzelnen Atomen

  • 06. October 2016

Entstehung antiferromagnetischer Korrelationen in eindimensionalen Vielteilchensystemen beobachtet.

Die Festkörper­physik weist eine Vielfalt interes­santer Phänomene auf, die zum Teil noch nicht vollständig erklärt werden können. Experimente mit fer­mionischen Atomen in optischen Gittern kommen dem Verhalten von Elektronen in Festkörper­kristallen sehr nahe und stellen somit einen gut steuerbaren Quanten­simulator solcher Systeme dar. Nun hat ein Team von Wissenschaft­lern um Immanuel Bloch und Christian Groß am Max-Planck-Institut für Quanten­optik in einer Kette aus fer­mionischen Atomen die Entstehung einer antiferro­magnetischen Ordnung über eine Korrelations­länge von mehreren Gitter­plätzen beobachtet.

Abb.: Eindimensionale atomare Ketten: Die dicken waagerechten Linien markieren die Barriere zwischen den unterschiedlichen Ketten. Die Atome haben aufwärts und abwärts gerichtete magnetische Momente . (Bild: M. Boll / MPQ)

Abb.: Eindimensionale atomare Ketten: Die dicken waagerechten Linien markieren die Barriere zwischen den unterschiedlichen Ketten. Die Atome haben aufwärts und abwärts gerichtete magnetische Momente . (Bild: M. Boll / MPQ)

Im Gegensatz zum Ferro­magnetismus ist Anti­ferromagne­tismus durch eine alter­nierende Ausrichtung der magne­tischen Momente der Elektronen bzw. Atome gekenn­zeichnet. Indem die Wissen­schaftler ihr Quanten­gas-Mikroskop mit modernen Techniken für die Positio­nierung einzelner Teilchen kombinierten, konnten sie gleich­zeitig Spin- und Dichte-Verteilung mit einer für einzelne Atome und einzelne Gitter­plätze empfindlichen Auflösung beobachten. Durch die Simulation der in makro­skopischen Kristallen herrschenden Bedin­gungen mit fermionischen Quanten-Viel­teilchen­systemen hofft man, ein besseres Verständnis von Phänomenen wie z.B. der Hochtem­peratur-Supra­leitung zu erzielen.

Im Experiment wurde zunächst eine Wolke von fermio­nischen Lithium-6-Atomen auf extrem tiefe Tempe­raturen, etwa einem Millionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, gekühlt. Diese ultra­kalten Fermionen wurden mit Licht­feldern eingefangen und in eine Ebene gezwungen, die in einem weiteren Schritt in einzelne ein­dimensionale Röhrchen auf­gespalten wurde. Schließlich wurde entlang der Röhrchen ein optisches Gitter eingeschaltet, welches das periodische Potential nachahmt, das die Elektronen in einem echten Material spüren.

Im Durch­schnitt waren die eindimen­sionalen Röhrchen vollständig gefüllt, d.h. jeder Gitter­platz war mit genau einem Atom besetzt. Zwei innere Zustände der Lithium-Atome imitieren das magne­tische Moment der Elektronen, das entweder aufwärts oder abwärts weisen kann. Solange die Temperatur des Systems hoch ist im Vergleich zu der magne­tischen Wechsel­wirkung zwischen diesen Spins, zeigt nur die Dichte­verteilung der Atome ein regel­mäßiges Muster, das durch das optische Gitter bestimmt ist. Unterhalb einer bestimmten Temperatur sollten sich aber, so die Erwartung, die magnetischen Momente benach­barter Atome entgegen­gesetzt ausrichten und somit zu anti­ferromagne­tischen Korrela­tionen führen. „Diese Korrela­tionen treten auf, weil das System danach strebt seine Energie zu erniedrigen“, erklärt Martin Boll, Doktorand am Experiment. „Ursache dafür ist der Mecha­nismus des „Super-Austauschs“, bei dem die magne­tischen Momente benach­barter Atome ihre Richtung austauschen.“

Das Team um Christian Groß und Immanuel Bloch hatte vor allem zwei Herausforderungen zu meistern: Zum einen war es notwendig, die Teilchen­dichte mit hoher Auflösung zu messen, um einzelne Teilchen bzw. Löcher auf ihren jeweiligen Gitter­plätzen eindeutig zu identi­fizieren. Dies gelang mit dem Quanten­gas-Mikroskop, bei dem ein hoch­auflösendes Objektiv alle Atome auf einen Schlag abbildet, sodass eine Folge von Schnappschüssen des atomaren Gases aufgezeichnet werden kann. „Die zweite und wirklich große Heraus­forderung war, die Atome entsprechend der Ausrichtung ihrer magne­tischen Momente voneinander zu trennen“, betont Martin Boll. „Zu diesem Zweck haben wir ein optisches Über­gitter mit einem magne­tischen Feld­gradienten kombiniert, der die Potential­minima in Abhängig­keit von der jeweiligen Ausrichtung des magne­tischen Moments verschob. Als Folge davon befanden sich entgegen­gesetzte magnetische Momente in unter­schiedlichen Bereichen der Doppel­struktur des Potential­minimums, die durch das Über­gitter erzeugt worden war. In einer Serie von Messungen haben wir die Methode so ausgefeilt, dass wir eine Auf­spaltung von nahezu 100 Prozent erhielten.“

Durch Einsatz all dieser Werkzeuge gelang es dem Team zu beobachten, wie sich in der eindimen­sionalen Kette anti­ferromagne­tische Korrela­tionen heraus­bildeten, die sich über mehr als drei Gitterplätze, also deutlich über die unmittel­bare Nachbar­schaft hinaus, erstreckten. „Quanten­simulationen mit Fermionen sind vor allem deshalb interessant, weil sie zu einem besseren Verständnis der Hochtem­peratur-Supra­leitung führen könnten. Man nimmt an, dass der Schlüssel hierfür in dem Wechsel­spiel zwischen Löchern und anti­ferromagne­tischen Korre­lationen liegt“, führt Christian Groß aus. „Schon in naher Zukunft sind wir vielleicht in der Lage, atomare Systeme mit einer Dotierung an Löchern zu präparieren, die den Bedingungen in supra­leitenden Materia­lien weitgehend entspricht.“

MPQ / JOL

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer