普林斯顿大学的物理学家解开了动力学磁性的秘密

研究小组直接对产生这种磁性的微观物体 —— 一种不寻常的极化子 —— 进行了成像。

不是所有的磁铁都是一样的。当我们想到磁性时，我们通常会想到粘在冰箱门上的磁铁。对于这些类型的磁体，自量子力学早期以来，人们对产生磁性的电子相互作用的理解，已经有了大约一个世纪的时间。但自然界中还有许多不同形式的磁性，科学家们仍在探索驱动它们的机制。

现在，普林斯顿大学的物理学家们在理解一种被称为“动态磁性”的磁性形式方面取得了重大进展，他们将超冷原子束缚在人工激光构建的晶格中。他们的实验记录在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员可以直接对产生这种磁性的微观物体进行成像，这种磁性是一种不寻常的极化子，或者是在相互作用的量子系统中出现的准粒子。

了解动力学磁性

“这非常令人兴奋，”普林斯顿大学物理学教授、该论文的资深作者瓦西姆·巴克尔（Waseem Bakr）说。磁性的起源与原子阵列中杂质的运动有关，因此被称为动态磁性。这种运动是非常不寻常的，即使在非常高的温度下也会产生强大的磁性。结合掺杂磁性的可调性（添加或去除颗粒），动力学磁性在实际材料中的器件应用是非常有前景的。”

巴克尔和他的团队在以前的研究中未实现的详细程度上研究了这种新形式的磁性。在超冷原子系统的控制下，研究人员第一次能够可视化产生动力学磁性的细粒度物理。

量子发现的先进工具

“在我们的实验室里，我们有能力在晶格中的单原子和单位点水平上观察这个系统，并对系统中粒子之间微妙的量子相关性进行‘快照’，”巴克尔说。

几年来，巴克尔和他的研究小组通过在真空室中实验超低温亚原子粒子费米子来研究量子态。他们设计了一种复杂的装置，可以将原子冷却到超冷的温度，并将其装载到使用激光束制造的称为光学晶格的人造晶体中。这个系统使研究人员能够探索量子世界的许多有趣的方面，包括相互作用的粒子集合的紧急行为。

理论基础和实验见解

一种早期理论提出的磁性机制为该团队目前的实验奠定了基础，被称为“长冈铁磁性”，以其发现者长冈洋介命名。铁磁体中电子的自旋态都指向同一个方向。

虽然具有排列自旋的铁磁体是最熟悉的磁铁类型，但在最简单的理论设置中，晶格上强相互作用的电子实际上倾向于反铁磁性，其中自旋以交替方向排列。这种对相邻自旋反排列的偏好是相邻电子自旋间接耦合的结果，称为超交换。

然而，长冈从理论上认为，铁磁性也可能是由一种完全不同的机制产生的，这种机制是由故意添加的杂质或掺杂剂的运动决定的。这可以通过想象一个二维方形晶格来最好地理解，其中每个晶格点，除了一个例外，都被一个电子占据。未占据的位点（或空穴掺杂物）在晶格中四处游荡。

长冈发现，如果空穴在排列自旋或铁磁体的环境中运动，则空穴运动的不同轨迹会在量子力学上相互干扰。这增强了空穴量子位置外的扩散，降低了动能，这是一个有利的结果。

长冈的遗产与现代量子力学

长冈定理很快得到了认可，因为几乎没有严谨的证据来解释强相互作用电子系统的基态。但由于模型的严格要求，通过实验观察结果是一项艰巨的挑战。在这个定理中，相互作用需要是无限强的，并且只允许有一种掺杂剂。在长冈提出他的理论50多年后，其他研究人员意识到这些不现实的条件可以在三角形几何的晶格中显著放松。

量子实验及其意义

为了进行实验，研究人员使用了锂-6原子的蒸气。锂的这种同位素包含三个电子、三个质子和三个中子。“奇数的总数使它成为费米子同位素，这意味着原子的行为与固态系统中的电子相似，”普林斯顿大学物理学研究生本杰明·斯帕尔（Benjamin Spar）说，他是该论文的共同主要作者。

当这些气体用激光束冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一度的极端温度时，它们的行为开始受量子力学原理的支配，而不是更熟悉的经典力学。

通过冷原子装置探索量子态

“一旦我们实现了这个量子系统，接下来我们要做的就是将原子加载到三角形光学晶格中。在冷原子装置中，我们可以控制原子移动的速度或它们彼此相互作用的强度。”

在许多强相互作用的系统中，晶格中的粒子被组织成“莫特绝缘体”，这是一种物质状态，其中单个粒子占据晶格的每个位置。在这种状态下，由于相邻位置上的电子自旋之间的超交换，存在弱反铁磁相互作用。但是，研究人员没有使用莫特绝缘体，而是使用了一种叫做“掺杂”的技术，这种技术要么去除一些粒子，从而在晶格中留下“洞”，要么增加额外的粒子。

揭示量子磁性的新形式

“在我们的实验中，我们不会从每个位点一个原子开始，”巴克尔说。“相反，我们在晶格上涂上孔或粒子。当你这样做的时候，你会发现在这些系统中有一种比通常的超交换磁性更强大的磁性形式，在更高的能量尺度上被观察到。这个能量尺度与晶格中原子的跳跃有关。”

与真实材料相比，利用光学晶格中更大的晶格点间距，研究人员能够用光学显微镜看到单位点水平上发生的事情。他们发现，产生这种新形式磁性的物体是一种新型的磁性极化子。

极化子在量子系统中的作用

“极化子是一种准粒子，出现在具有许多相互作用成分的量子系统中，”巴克尔说。“它的行为非常像普通粒子，从某种意义上说，它具有电荷、自旋和有效质量等特性，但它不是像原子那样的实际粒子。在这种情况下，它是一种掺杂剂，它在磁场环境受到干扰的情况下四处移动，或者它周围的自旋是如何相对排列的。”

在真实材料中，这种新形式的磁性以前曾在由堆叠的二维晶体组成的所谓莫尔材料中观察到，这只在去年才发生。

深入探索量子磁性

“可用于这些材料的磁性探针是有限的。用莫尔材料进行的实验已经测量了宏观效应，这与施加磁场时大块材料的反应有关，”斯帕说。“有了冷原子装置，我们可以深入研究产生磁性的微观物理。我们已经拍摄了详细的图像，揭示了移动掺杂剂周围的自旋相关性。例如，我们发现空穴掺杂剂在移动时被反排列的自旋包围，而粒子掺杂剂则相反，被排列的自旋包围。”

这项研究在凝聚态物理中具有深远的意义，甚至超出了对磁性物理的理解。例如，这些极化子的更复杂版本已经被假设为导致空穴掺杂剂配对的机制，这可能导致高温下的超导性。

量子磁学研究的未来方向

“这项研究最令人兴奋的部分是，它确实与凝聚态物质领域的研究同时进行，”研究生、该论文的共同主要作者马克斯·普里查德（Max Prichard）说。“我们处在一个独特的位置，可以从一个完全不同的角度及时洞察问题，各方都受益。”

展望未来，研究人员已经在设计新的创新方法来进一步探索这种新的、奇特的磁性形式，并更详细地研究自旋极化子。

极化子研究的下一步

“在第一个实验中，我们只是简单地拍摄了极化子的快照，这只是第一步，”普里查德说。“但我们现在有兴趣对极化子进行光谱测量。我们想知道极化子在相互作用系统中存在多久，测量极化子在晶格中传播时结合在一起的能量和它的有效质量。还有很多事情要做。”

该团队的其他成员包括现供职于芝加哥大学的佐伊·严，西班牙巴塞罗那大学的理论家伊万·莫雷拉，以及瑞士苏黎世理论物理研究所的尤金·德姆勒。

这项实验工作得到了美国国家科学基金会、陆军研究办公室以及大卫和露西尔·帕卡德基金会的支持。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！