Forschungsbericht 2020 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Bilder magnetischer Polaronen im Quantensimulator

Autoren

Koepsell, Joannis; Vijayan, Jayadev; Sompet, Pimonpan; Grusdt, Fabian; Hilker, Timon A.; Demler, Eugene; Salomon, Guilllaume; Bloch, Immanuel; Gross, Christian

Abteilungen

Quanten-Vielteilchensysteme

Zusammenfassung

Mehr als 30 Jahre nach der Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern sind deren grundlegende Mechanismen immer noch nicht vollständig verstanden. Mehr Wissen wäre jedoch wichtig, um supraleitende Materialien bei Raumtemperatur zu finden, die Strom verlustfrei transportieren können. Unsere Gruppe versucht, dieses Rätsel mit Hilfe eines speziellen Quantensimulators zu lösen. Kürzlich kam es zu einem Durchbruch: die allerersten hochaufgelösten Fotos von einzelnen magnetischen Polaronen. Sie stehen im Verdacht, maßgeblich an der Supraleitung beteiligt zu sein.

Quantensimulation mit kalten Atomen

Abb.1: Fotos von quantensimulierten Elektronen in einer zweidimensionalen Gitterstruktur. Jeder leuchtende Punkt entspricht einem Elektron, das hier durch ein Lithium-Atom simuliert wird. Von jedem System werden zwei Fotos hintereinander aufgenommen. Teilchen mit Spin „runter“ leuchten im ersten Bild rot, jene mit Spin „hoch“ im zweiten Bild blau. Die Kombination beider Bilder erlaubt die volle Rekonstruktion der gesamten Spin- und Ladungsverteilung. — **Abb.1**: Fotos von quantensimulierten Elektronen in einer zweidimensionalen Gitterstruktur. Jeder leuchtende Punkt entspricht einem Elektron, das hier durch ein Lithium-Atom simuliert wird. Von jedem System werden zwei Fotos hintereinander aufgenommen. Teilchen mit Spin „runter“ leuchten im ersten Bild rot, jene mit Spin „hoch“ im zweiten Bild blau. Die Kombination beider Bilder erlaubt die volle Rekonstruktion der gesamten Spin- und Ladungsverteilung.

© MPQ

**Abb.1**: Fotos von quantensimulierten Elektronen in einer zweidimensionalen Gitterstruktur. Jeder leuchtende Punkt entspricht einem Elektron, das hier durch ein Lithium-Atom simuliert wird. Von jedem System werden zwei Fotos hintereinander aufgenommen. Teilchen mit Spin „runter“ leuchten im ersten Bild rot, jene mit Spin „hoch“ im zweiten Bild blau. Die Kombination beider Bilder erlaubt die volle Rekonstruktion der gesamten Spin- und Ladungsverteilung.

© MPQ

Das Verhalten von Elektronen in Materialien wie Hochtemperatur-Supraleitern nachzuvollziehen, erfordert äußerst komplexe Berechnungen, die meistens selbst Supercomputer überfordern. Auch numerische Näherungsmethoden sind für viele Parameterbereiche nicht verfügbar. Ein vielversprechender Ansatz ist es, für die Lösung von solchen Quantenproblemen neue Technologien zu entwickeln, die selbst auf Quantensystemen basieren – und sozusagen dieselbe Sprache sprechen. Solche Quantensimulatoren, beispielsweise auf Grundlage ultrakalter Atome, sind spezielle Formen eines Quantencomputers. Sie geben bereits heute neue Einblicke in die Physik stark wechselwirkender Quantenmaterie.

Der Lithium-basierte Quantensimulator unter der Leitung von Immanuel Bloch und Christian Gross an unserem Institut hat als Ziel, die unverstandene Physik rund um Hochtemperatur-Supraleiter zu erschließen. Hierfür animiert der Simulator Lithium-Atome dazu, das Verhalten von Elektronen in Materialien wie supraleitenden Keramiken nachzuahmen. Mit aufwändiger Laser- und Mikroskopie-Technik können wir Fotos aufnehmen, auf denen jedes einzelne Teilchen mit seinem magnetischen Zustand zu erkennen ist (Abbildung 1). Diese Bilder zeigen also direkt, wie sich jedes einzelne Elektron in einem Material verhalten würde. So können wir grundlegende Mechanismen unmittelbar erforschen.

Ein Loch im Magneten

Abb. 2: Künstlerische Darstellung eines magnetischen Polarons. Ein mobiles Loch (große eiserne Kugel) bewegt sich durch ein System und verändert den lokalen Magnetismus (Eisenspäne). Die Kugel und die sie umgebende Struktur von Eisenspäneteilchen bilden zusammen das magnetische Polaron. — **Abb. 2:** Künstlerische Darstellung eines magnetischen Polarons. Ein mobiles Loch (große eiserne Kugel) bewegt sich durch ein System und verändert den lokalen Magnetismus (Eisenspäne). Die Kugel und die sie umgebende Struktur von Eisenspäneteilchen bilden zusammen das magnetische Polaron.

© Christoph Hohmann (LMU/MCQST) und Joannis Koepsell (MPQ)

**Abb. 2:** Künstlerische Darstellung eines magnetischen Polarons. Ein mobiles Loch (große eiserne Kugel) bewegt sich durch ein System und verändert den lokalen Magnetismus (Eisenspäne). Die Kugel und die sie umgebende Struktur von Eisenspäneteilchen bilden zusammen das magnetische Polaron.

© Christoph Hohmann (LMU/MCQST) und Joannis Koepsell (MPQ)

Vereinfacht gesagt entsteht Hochtemperatur-Supraleitung, wenn man in einem Antiferromagneten (einer abwechselnden Auf- und Abfolge der Spin-Orientierung der Elektronen) mehrere Löcher erzeugt. Das Zusammenspiel zwischen den Löchern, die sich bewegen können, und dem Magnetismus ist eines der größten Rätsel in der Festkörperphysik. Lediglich der Fall von nur genau einem Loch ist bisher ausreichend verstanden: Hier entsteht ein sogenanntes magnetisches Polaron. Dies bedeutet: Um das Loch herum bildet sich eine Wolke mit verändertem Magnetismus, die das Loch permanent begleitet (Abbildung 2). Das Loch polarisiert also seine unmittelbare Umgebung. Unklar ist jedoch, was passiert, wenn zwei magnetische Polaronen aufeinandertreffen. Diese Frage steht aber vermutlich in direktem Zusammenhang mit der Hochtemperatur-Supraleitung. Trotz ihrer enormen Bedeutung konnte in der Vergangenheit kein direktes Foto von einem magnetischen Polaron und seiner polarisierten Umgebung erzielt werden.

Mobile Polaronen verändern ihre Umgebung

Mit unserem Simulator ist es uns nun gelungen, einzelne mobile Löcher in einem zweidimensionalen System mit antiferromagnetischer Anordnung der Atome zu präparieren und genau zu beobachten. Dabei waren wir in der Lage, die magnetische Umgebung der Löcher genau zu vermessen [1]. Auf diese Weise bestätigten wir die Vorhersage, dass mobile Löcher lokal in ihrer Nähe im Radius von circa zwei Gitterplätzen des Materials stark veränderte Korrelationen aufweisen, teilweise sogar mit umgedrehtem Vorzeichen. Sie verändern also die magnetische Ordnung in ihrer Umgebung stark. Dies entspricht genau dem Bild eines magnetischen Polarons.

Als wir das Loch hingegen zuvor mit einem Laserstrahl auf der Stelle einsperrten, verschwanden die veränderten magnetischen Korrelationen größtenteils. Dieser Effekt war zu erwarten und zeigte, dass die Bewegung und Mobilität des Lochs ein wichtiger Baustein bei der Entstehung eines magnetischen Polarons ist. Im Zusammenhang mit der Hochtemperatur-Supraleitung bleiben noch die Fragen zu klären, ob Polaronen miteinander wechselwirken und unter welchen Bedingungen sie sich wieder auflösen. Diese Mechanismen haben wir in Folgeexperimenten begonnen weiter zu erforschen.

Die nächsten Schritte

Um Effekte wie Supraleitung in unserem Aufbau zu beobachten, müssen jedoch zunächst Systeme bei noch niedrigeren Temperaturen erzeugt werden. Hierfür bedarf es weiterer technischer Fortschritte. Gemeinsam mit anderen Gruppen zum Beispiel aus Harvard, dem MIT und Princeton, ist das MPQ ein Vorreiter in der Entwicklung der Quantengasmikroskopie. Allein im letzten Jahr sind uns wichtige Fortschritte in dem Bereich gelungen [2]: So ist es nun möglich, mehr als doppelt so viele Teilchen in 2D-Systemen mit voller Spin- und Dichte-Auflösung abzubilden wie bisher (Abbildung 1).

In Zukunft können mit den neuen technischen Entwicklungen effiziente Kühlmethoden ausprobiert werden. So wollen wir derart geringe Temperaturen erzeugen, dass magnetische Polaronen anfangen könnten, sich gegenseitig anzuziehen. Dies wäre ein entscheidender Mechanismus für die Entstehung von Supraleitung, nach dem bis heute intensiv gesucht wird.