[논문 리뷰] Directly imaging spin polarons in a kinetically frustrated Hubbard system

Max L. Prichard, Benjamin M. Spar외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 24.

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 원자를 사용하여 운동적 불일치가 있는 삼각형 격자 페르미-허브라드 시스템에서 이동 가능한 스핀 폴라론을 직접 영상화하여, 구멍 도핑된 입자 주변의 반자성 상관관계와 입자 도핑된 입자 주변의 강자성 상관관계를 밝혀냈다. 결과적으로, 초고온에서도 초전도 교환 상호작용이 없이 운동적 불일치에 의해 강건한 준입자 형성이 가능하다는 점이 입증되었으며, 이는 과거의 불일치된 모터 스핀 절연체에서 준입자 위상성에 대한 기존 가정을 도전한다.

ABSTRACT

The emergence of quasiparticles in quantum many-body systems underlies the rich phenomenology in many strongly interacting materials. In the context of doped Mott insulators, magnetic polarons are quasiparticles that usually arise from an interplay between the kinetic energy of doped charge carriers and superexchange spin interactions. However, in kinetically frustrated lattices, itinerant spin polarons - bound states of a dopant and a spin-flip - have been theoretically predicted even in the absence of superexchange coupling. Despite their important role in the theory of kinetic magnetism, a microscopic observation of these polarons is lacking. Here we directly image itinerant spin polarons in a triangular lattice Hubbard system realised with ultracold atoms, revealing enhanced antiferromagnetic correlations in the local environment of a hole dopant. In contrast, around a charge dopant, we find ferromagnetic correlations, a manifestation of the elusive Nagaoka effect. We study the evolution of these correlations with interactions and doping, and use higher-order correlation functions to further elucidate the relative contributions of superexchange and kinetic mechanisms. The robustness of itinerant spin polarons at high temperature paves the way for exploring potential mechanisms for hole pairing and superconductivity in frustrated systems. Furthermore, our work provides microscopic insights into related phenomena in triangular lattice moiré materials.

연구 동기 및 목표

• 운동적 불일치가 있는 삼각형 격자 허브라드 시스템에서 이동 가능한 스핀 폴라론을 실험적으로 관측하기.
• 도핑된 모터 절연체에서 운동적 불일치와 자기 상관관계 간의 상호작용을 조사하기.
• 폴라론 형성에서 초전도 교환과 운동적 메커니즘의 기여를 구분하기.
• 고온에서 장거리 자기 순서가 없고 초전도 교환 결합이 없을 때 준입자의 강건성을 탐구하기.
• 삼각형 격자 모리 재료와 고온 초전도체에서의 잠재적 현상에 대한 미시적 통찰을 제공하기.

제안 방법

• 조절 가능한 상호작용과 터널링을 갖춘 광학 격자에서 초냉각 40K 원자를 사용하여 삼각형 격자 페르미-허브라드 시스템을 실현하기.
• 현장에서 단일 위치 해상도가 있는 형광 영상 촬영을 통해 개별 스핀 업 및 스핀 다운 원자, 즉 도핑된 입자와 그 국소 스핀 환경을 탐지하기.
• 스핀-스핀 상관함수(3점 및 4점 상관함수)를 측정하여 폴라론적 구조와 도핑된 입자 주변의 자기 질서를 식별하기.
• DQMC-이론 비교에서 탐지 비효율성을 보정하기 위해 실험 데이터에 손실 영상 정밀도 보정(≈0.96)을 적용하기.
• 다이나믹 퀀텀 몬테카를로(DQMC) 시뮬레이션을 수행하여 다체계를 모델링하고 U/t, T/t, 도핑 수준 변화에 따른 실험 데이터와 비교하기.
• 고차 상관함수를 사용하여 폴라론 형성에서 초전도 교환과 운동적 메커니즘의 기여를 분리하기.

Figure 1: Itinerant spin polaron. a, A single particle in a triangular lattice with $t>0$ minimizes its energy by occupying symmetric orbitals on each bond. Its band structure $E(k)$ exhibits a minimum energy of $E=-6t$ . In a spin polarized background, a single hole has a negative effective tunneli

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 교환 결합이 없는 운동적 불일치가 있는 허브라드 시스템에서 이동 가능한 스핀 폴라론을 직접 영상으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 삼각형 격자 모터 절연체에서 구멍 도핑 및 입자 도핑 주변의 스핀 상관관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 불일치 격자에서 폴라론 형성에 있어 초전도 교환과 운동적 불일치의 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ4 장거리 자기 순서가 없고 고온일 때 준입자는 얼마나 강건한가?
• RQ5 초냉각 원자에서 관측된 상관관계는 모리 재료와 고온 초전도체에서의 것과 어느 정도 유사한가?

주요 결과

• 직접 영상 촬영을 통해 구멍 도핑된 입자 주변의 반자성 스핀 상관관계가 확인되어 이동 가능한 스핀 폴라론 형성이 입증되었다.
• 입자 도핑은 강자성 스핀 상관관계를 유도하여 삼각형 격자에서의 나가카 효과에 대한 실험적 증거를 제공한다.
• 고온(T/t ≈ 0.95)에서도 초전도 교환 에너지 척도가 억제되더라도 스핀 폴라론이 강건하게 유지되며, 이는 운동적 불일치가 준입자 형성의 주요 원인임을 시사한다.
• 3점 스핀 상관함수 $ C^{(3)}_{h} $ 는 도핑 ≈ -0.3에서 최소값을 보이며, $ C^{(3)}_{d} $ 는 ≈ +0.15에서 최대값을 보여, 구멍과 입자에 대해 서로 다른 폴라론적 거동가 존재함을 나타낸다.
• 영상 정밀도 보정을 적용한 DQMC 시뮬레이션은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 운동적 불일치가 주요 메커니즘으로서 이론 모델을 검증한다.
• 반도체 밴드 반도체 근처에서 $ C^{(3)} $ 의 날카운 특징의 발생이 상호작용 강도(U/t) 증가에 따라 더욱 두드러지며, 강한 상호작용에서 폴라론적 성질이 증가함을 나타낸다.

Figure 2: Imaging the internal structure of the polaron. a, Three point correlations $C^{(3)}((1,0),(1/2,\sqrt{3}/2))$ (blue and green) and $C^{(3)}((1,0),(3/2,\sqrt{3}/2))$ (red and orange) versus doping $\delta$ . Theory curves (gray bands) are from DQMC with $U/t=11.8(4),T/t=0.94(4)$ . Right: (to