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 Unsterbliche Quantenteilchen: Der Zyklus von Zerfall und Wiedergeburt
14.06.2019 | Technische Universität München

nachricht Ins Innere von Materialien blicken
13.06.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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: MPSD-Team entdeckt lichtinduzierte Ferroelektrizität in Strontiumtitanat

Mit Licht lassen sich Materialeigenschaften nicht nur messen, sondern auch verändern. Besonders interessant sind dabei Fälle, in denen eine fundamentale Eigenschaft eines Materials verändert werden kann, wie z.B. die Fähigkeit, Strom zu leiten oder Informationen in einem magnetischen Zustand zu speichern. Ein Team um Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg, hat nun Lichtimpulse aus dem Terahertz-Frequenzspektrum benutzt, um ein nicht-ferroelektrisches Material in ein ferroelektrisches umzuwandeln.

Ferroelektrizität ist ein Zustand, in dem die Atome im Kristallgitter eine bestimmte Richtung "aufzeigen" und dadurch eine makroskopische elektrische...

Im Focus: MPSD team discovers light-induced ferroelectricity in strontium titanate

Light can be used not only to measure materials’ properties, but also to change them. Especially interesting are those cases in which the function of a material can be modified, such as its ability to conduct electricity or to store information in its magnetic state. A team led by Andrea Cavalleri from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg used terahertz frequency light pulses to transform a non-ferroelectric material into a ferroelectric one.

Ferroelectricity is a state in which the constituent lattice “looks” in one specific direction, forming a macroscopic electrical polarisation. The ability to...

Im Focus: Konzert der magnetischen Momente

Forscher aus Deutschland, den Niederlanden und Südkorea haben in einer internationalen Zusammenarbeit einen neuartigen Weg entdeckt, wie die Elektronenspins in einem Material miteinander agieren. In ihrer Publikation in der Fachzeitschrift Nature Materials berichten die Forscher über eine bisher unbekannte, chirale Kopplung, die über vergleichsweise lange Distanzen aktiv ist. Damit können sich die Spins in zwei unterschiedlichen magnetischen Lagen, die durch nicht-magnetische Materialien voneinander getrennt sind, gegenseitig beeinflussen, selbst wenn sie nicht unmittelbar benachbart sind.

Magnetische Festkörper sind die Grundlage der modernen Informationstechnologie. Beispielsweise sind diese Materialien allgegenwärtig in Speichermedien wie...

Im Focus: Schwerefeldbestimmung der Erde so genau wie noch nie

Forschende der TU Graz berechneten aus 1,16 Milliarden Satellitendaten das bislang genaueste Schwerefeldmodell der Erde. Es liefert wertvolles Wissen für die Klimaforschung.

Die Erdanziehungskraft schwankt von Ort zu Ort. Dieses Phänomen nutzen Geodäsie-Fachleute, um geodynamische und klimatologische Prozesse zu beobachten....

Im Focus: Determining the Earth’s gravity field more accurately than ever before

Researchers at TU Graz calculate the most accurate gravity field determination of the Earth using 1.16 billion satellite measurements. This yields valuable knowledge for climate research.

The Earth’s gravity fluctuates from place to place. Geodesists use this phenomenon to observe geodynamic and climatological processes. Using...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Doc Data – warum Daten Leben retten können

14.06.2019 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - August 2019

13.06.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz in der Materialmikroskopie

13.06.2019 | Veranstaltungen

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

German Innovation Award für Rittal VX25 Schaltschranksystem

14.06.2019 | Förderungen Preise

Fraunhofer SCAI und Uni Bonn zeigen innovative Anwendungen und Software für das High Performance Computing

14.06.2019 | Messenachrichten

Autonomes Premiumtaxi sofort oder warten auf den selbstfahrenden Minibus?

14.06.2019 | Interdisziplinäre Forschung

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