Физики обнаружили скрытый магнитный порядок в загадочной псевдощелевой фазе

Международная группа физиков обнаружила связь между магнетизмом и загадочной псевдощелевой фазой, возникающей в некоторых квантовых материалах непосредственно перед переходом в сверхпроводящее состояние. Это открытие может помочь в создании новых материалов, например, высокотемпературных сверхпроводников.

Квантовый симулятор, использованный для исследования псевдощели. Автор: Max Planck Institute of Quantum Physics

Используя квантовый симулятор, охлаждённый до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, учёные выявили универсальный паттерн во влиянии электронов со спином «вверх» или «вниз» на спины соседей при охлаждении системы. Исследование стало результатом сотрудничества экспериментаторов из Института квантовой оптики Общества Макса Планка (Германия) и теоретиков, включая Антуана Жоржа из Центра вычислительной квантовой физики Флэтайрон-института (США). Результаты опубликованы в журнале PNAS.

В материалах с неизменным числом электронов возникает антиферромагнитный порядок, где спины соседей направлены противоположно. Однако при удалении электронов (легировании) этот порядок, как считалось, полностью разрушается. Новое исследование показывает, что при сверхнизких температурах тонкая форма магнитной организации сохраняется, оставаясь скрытой под видимым беспорядком и связанной с псевдощелью.

Инфографика, иллюстрирующая псевдощель. Автор: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Экспериментальная команда воссоздала модель Ферми-Хаббарда, используя атомы лития в оптической решётке из лазерного света. С помощью квантового газового микроскопа было сделано более 35 000 снимков отдельных атомов, что позволило проанализировать магнитные корреляции.

«Замечательно, что квантовые аналоговые симуляторы на основе ультрахолодных атомов теперь можно охлаждать до температур, при которых проявляются сложные коллективные квантовые явления», — говорит Антуан Жорж.

Ведущий автор работы Томас Шалопен объясняет: «Магнитные корреляции следуют единому универсальному паттерну, который сопоставим с температурой возникновения псевдощели». Исследование также показало, что электроны в этом режиме образуют сложные многчастичные коррелированные структуры, а один «дефект» (допант) может нарушать магнитный порядок на surprisingly большой области.

«Раскрывая скрытый магнитный порядок в псевдощели, мы обнаруживаем один из механизмов, который в конечном итоге может быть связан со сверхпроводимостью», — поясняет Шалопен.

Работа подчёркивает силу сотрудничества эксперимента и теории. Будущие эксперименты будут направлены на дальнейшее охлаждение системы и поиск новых форм порядка в квантовой материи.