[논문 리뷰] Observation of canted antiferromagnetism with ultracold fermions in an optical lattice

Peter Brown, Debayan Mitra외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 22.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 43인용 수 171

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 페르미온에서 양자 기체 현미경을 사용하여 처음으로 기울인 반자성의 관찰을 보고하며, 강한 스핀 불균형 조건 하에서 스핀 상관관계의 스핀 회전 비대칭성을 입증한다. 반전하에서 U/t ≈ 8일 때, 자화 방향에 수직인 방향으로 반자성 질서가 강화되며, 이 비대칭성은 극화도와 거리가 증가할수록 증가한다. 이는 결정적 양자 몬테카를로(Determinantal Quantum Monte Carlo) 및 수치 연결 클러스터 전개(Numerical Linked Cluster Expansion) 시뮬레이션의 예측과 밀도로 일치한다.

ABSTRACT

Understanding the magnetic response of the normal state of the cuprates is considered a key piece in solving the puzzle of their high-temperature superconductivity. The essential physics of these materials is believed to be captured by the Fermi-Hubbard model, a minimal model that has been realized with cold atoms in optical lattices. Here we report on site-resolved measurements of the Fermi-Hubbard model in a spin-imbalanced atomic gas, allowing us to explore the response of the system to large effective magnetic fields. We observe short-range canted antiferromagnetism at half-filling with stronger spin correlations in the direction orthogonal to the magnetization, in contrast with the spin-balanced case where identical correlations are measured for any projection of the pseudospin. The rotational anisotropy of the spin correlators is found to increase with polarization and with distance between the spins. Away from half-filling, the polarization of the gas exhibits non-monotonic behavior with doping for strong interactions, resembling the behavior of the magnetic susceptibility in the cuprates. We compare our measurements to predictions from Determinantal Quantum Monte Carlo (DQMC) and Numerical Linked Cluster Expansion (NLCE) algorithms and find good agreement. Calculations on the doped system are near the limits of these techniques, illustrating the value of cold atom quantum simulations for studying strongly-correlated materials.

연구 동기 및 목표

• 커퍼레이트의 정상 상태를 모방하는 스핀 불균형 조건 하에서 페르미-허브드 모델의 자성 반응을 탐구하기 위해.
• 조절 가능한 스핀 균형을 가진 2차원 초냉각 페르미 기체에서 기울인 반자성 질서를 실험적으로 관측하고 특성화하기 위해.
• 효과적인 제이만 필드와 강한 상관관계가 존재하는 조건에서 스핀 회전 비대칭성에 대한 이론 예측을 검증하기 위해.
• 강한 상관관계 영역에서 실험적 스핀 상관관계 함수를 최신 수치 시뮬레이션(DQMC 및 NLCE)과 비교하기 위해.

제안 방법

• U/t ≈ 8.0(5)로 설정된 정사각형 광학 격자 내에서 이성분 초냉각 6Li 페르미 기체를 사용하여 2차원 페르미-허브드 모델을 실현하였다.
• 자기장 조절 Feshbach 공명과 증발 냉각을 통해 스핀 불균형 P를 조절하여 효과적 제이만 필드 h를 제어하였다.
• 사이트 해상도 광학 영상 기반의 양자 기체 현미경을 사용하여 스핀 전환 상태 탐지 후 局부 밀도 및 스핀 성분(Sz 및 Sx)을 측정하였다.
• 스핀 전환 펄스와 선택적 상태 제거를 적용하여 σ = x, z에 대해 스핀 상관관계 함수 Cσ(d)를 추출함으로써 이방성 스핀 상관관계 측정을 실현하였다.
• 실험 데이터에 탐지 효율 보정(96%)을 적용하고 U/t = 8에서 DQMC 및 NLCE 시뮬레이션과 비교하였다.
• 결정적 양자 몬테카를로(DQMC) 및 수치 연결 클러스터 전개(NLCE)를 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 유한온도 보정 및 부호 문제 분석을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 불균형은 2차원 페르미-허브드 모델에서 반자성 상관관계의 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 강한 상호작용 조건 하에서 효과적인 제이만 필드 존재 시 스핀 상관관계의 회전 비대칭성을 갖는 기울인 반자성 질서가 나타나는가?
• RQ3 스핀 상관관계의 비대칭성은 극화도와 스핀 간 거리가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 실험적 스핀 상관관계 함수는 도핑 및 스핀 불균형 영역에서 첫 번째 원리 수치 시뮬레이션(DQMC 및 NLCE)과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 도핑된 페르미-허브드 모델에서 국소 극화도와 자화율의 행동은 어떻게 되며, 이는 커퍼레이트 물질과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 반전하에서 U/t ≈ 8일 때 기울인 반자성 질서가 관측되었으며, 자화 방향과 수직인 방향(Sx)에서 스핀 상관관계가 강화되고, 평행 상관관계(Sz)는 억제됨을 보였다.
• 스핀 상관관계 비대칭성 A(d)는 극화도와 스핀 간 거리가 증가할수록 증가하며, 근접 이웃 쌍에서 ps ≈ 0.6일 때 A ≈ 0.4에 도달한다.
• 근접 이웃 Sz 스핀 상관관계 Cz(1,0)는 고극화 조건(ps ≈ 0.6)에서 음수가 되어 희박한 면역자기파 기체 형성과 (π, π) 운동량에서의 보스-아인슈타인 응축으로 인한 부호 변화를 나타낸다.
• 측정된 극화도 프로파일은 강한 상호작용 영역에서 비단조적 도핑 의존성을 보이며, 커퍼레이트에서 관찰되는 자화율 행동과 유사하다.
• 실험적 스핀 상관관계 함수는 DQMC 및 NLCE 시뮬레이션과 양적 일치를 보이며, 강한 결합 및 도핑 영역에서의 시뮬레이션 유효성을 검증한다.
• DQMC에서의 부호 문제는 반전하 및 U/t = 8에서 미약하여 저온 영역에서 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 가능하게 하며, 실험 데이터와 일치한다.