Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Korrelierte Magnete aus einzelnen Atomen

29.09.2016

Wissenschaftler am MPQ beobachten die Entstehung antiferromagnetischer Korrelationen in eindimensionalen fermionischen Quanten-Vielteilchensystemen

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.


Graphik: Martin Boll, Abt. Quanten-Vielteilchensysteme, MPQ

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern um Prof. Immanuel Bloch und Dr. 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. Im Gegensatz zum Ferromagnetismus, den wir aus unserem Alltagsleben kennen, 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 sogenannten Hochtemperatur-Supraleitung zu erzielen. (Science, 16 September 2016, DOI:10.1126/science.aag1635).

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 (siehe Abb. 1). „Quantensimulationen mit Fermionen sind vor allem deshalb interessant, weil sie zu einem besseren Verständnis der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitung führen könnten. Man nimmt an, dass der Schlüssel hierfür in dem Wechselspiel zwischen Löchern und antiferromagnetischen Korrelationen liegt“, führt Dr. 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.“ Olivia Meyer-Streng

Abb. 1: In (a) werden die direkten Bilder der eindimensionalen atomaren Ketten gezeigt. Die dicken waagerechten Linien markieren die Barriere zwischen den unterschiedlichen Ketten. Atome oberhalb der gestrichelten Linie haben aufwärts gerichtete magnetische Momente (rot), und umgekehrt (grün), wie in dem rekonstruierten Bild (b) dargestellt wird. In einigen Fällen werden doppelt besetzte Plätze oder Löcher nachgewiesen. Graphik: Martin Boll, Abt. Quanten-Vielteilchensysteme, MPQ

Originalveröffentlichung:
Martin Boll, Timon A. Hilker, Guillaume Salomon, Ahmed Omran, Jacopo Nespolo, Lode Pollet, Immanuel Bloch, Christian Gross
Spin- and density-resolved microscopy of antiferromagnetic correlations in Fermi-Hubbard chains
Science, 16 September 2016, DOI:10.1126/science.aag1635

Kontakt:
Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Quantenoptik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Schellingstr. 4, 80799 München, und
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de

Dr. Christian Groß
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 713
E-Mail: christian.gross@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 213
Telefax: +49 (0)89 / 32 905 - 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics