البو داگوتو: فیزیکدان برجسته در دنیای مواد کوانتومی

درباره البو داگوتو

البو روبن داگوتو، فیزیکدان نظری برجسته آرژانتینی-آمریکایی، یکی از چهره‌های شناخته‌شده در دنیای علم فیزیک است. او در حال حاضر به‌عنوان استاد برجسته در دپارتمان فیزیک و نجوم دانشگاه تنسی، ناکسویل، و دانشمند برجسته در بخش علوم و فناوری مواد در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) فعالیت می‌کند.

داگوتو بیشتر به دلیل استفاده از مدل‌های نظری و تکنیک‌های محاسباتی برای کاوش در مواد اکسیدی فلزات انتقالی، فصل مشترک اکسیدها، ابررساناهای دمای بالا، مواد توپولوژیکی، مغناطیس‌های کوانتومی و سیستم‌های نانومقیاس شناخته شده است. او نویسنده کتاب «جداسازی فاز در مقیاس نانو و مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر» (Nanoscale Phase Separation and Colossal Magnetoresistance) است که بر مواد اکسیدی فلزات انتقالی، به‌ویژه اکسیدهای منگنز با اثر مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر تمرکز دارد. همچنین، او یکی از ویراستاران کتاب «هتروساختار‌های اکسیدی چندکارکردی» (Multifunctional Oxide Heterostructures) بوده است.

سوابق حرفه‌ای داگوتو شامل عضویت در کمیته علوم حالت جامد در آکادمی ملی علوم و سردبیری بخش «Physical Review Letters» بوده است. او عضو انجمن پیشرفت علم آمریکا (AAAS) و انجمن فیزیک آمریکا (APS) است و به‌عنوان داور برجسته از سوی APS و «Europhysics Letters» (EPL) مورد تقدیر قرار گرفته است. علاوه بر این، وی در سال ۲۰۲۳ برنده جایزه سخنرانی دیوید ادلر در زمینه فیزیک مواد و جایزه الکساندر دانشگاه تنسی شد.

تحصیلات و مسیر شغلی

داگوتو تحصیلات خود را در رشته فیزیک در مؤسسه بالسروس، مرکز اتمی بارلوچه، در آرژانتین آغاز کرد و مدرک لیسانس خود را دریافت نمود. او سپس در همان مرکز، دکترای خود را در زمینه فیزیک انرژی بالا، به‌طور خاص در تئوری‌های پیمانه‌ای شبکه‌ای (lattice gauge theories)، به پایان رساند. پس از آن، به‌عنوان پژوهشگر پسادکترا به دپارتمان فیزیک دانشگاه ایلینوی در اربانا-شامپین رفت و تحت نظارت ادواردو فرادکین و جان کوگوت فعالیت کرد. دومین دوره پسادکترا خود را در مؤسسه کاولی فیزیک نظری در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، گذراند و با داگلاس جیمز اسکلپینو، جان رابرت شریفر و رابرت شوگر همکاری داشت.

داگوتو در دانشگاه ایالتی فلوریدا، ابتدا به‌عنوان استادیار، سپس دانشیار و در نهایت استاد کامل در دپارتمان فیزیک مشغول به کار شد. او با آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی قوی همکاری داشت و در گروه نظریه آنجا فعالیت می‌کرد. از سال ۲۰۰۴، او به‌طور همزمان در دانشگاه تنسی (UT)، ناکسویل، و آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) مشغول به کار است و در گروه الکترون‌های همبسته با آدریانا موریو همکاری می‌کند.

حوزه تحقیقاتی

تحقیقات داگوتو عمدتاً بر مواد الکترونیکی به‌شدت همبسته و اخیراً بر مواد کوانتومی متمرکز شده است، جایی که اثرات همبستگی و توپولوژیکی در هم تنیده می‌شوند. در حضور همبستگی قوی، برهم‌کنش بین الکترون‌ها نقش اساسی ایفا می‌کند و تقریب تک‌الکترونی (که مثلاً در نیمه‌رساناها استفاده می‌شود) دیگر معتبر نیست. در این چارچوب، او بر روی تئوری‌های بسیاری از خانواده‌های مواد، مانند ابررساناهای دمای بحرانی بالا و اکسیدهای منگنز با اثر مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر، کار کرده است. موضوع اصلی کار او این است که الکترون‌های همبسته باید در زمینه وسیع‌تری از پیچیدگی در نظر گرفته شوند. همانطور که فیلیپ دبلیو. اندرسون در مقاله خود «بیشتر متفاوت است» (More Is Different) توضیح داده است، داشتن برهم‌کنش‌های اساسی ساده بین ذرات، به معنای توانایی بازسازی خواص جمعی آن‌ها نیست. داگوتو استدلال کرده است که در سیستم‌های الکترونیکی همبسته، پدیده‌های مشابه ظهور رخ می‌دهد و این سیستم‌های پیچیده به‌طور خودکار حالت‌های پیچیده تشکیل داده و در الگوهایی خودسازمان‌دهی می‌شوند که پیش‌بینی آن‌ها از طریق بازرسی صرف برهم‌کنش‌های ساده الکترون-الکترون دشوار است. به دلیل دشواری ذاتی، استفاده از تکنیک‌های محاسباتی برای مطالعه پیچیدگی و ظهور در مواد کوانتومی حیاتی است. او از روش‌های مونت کارلو، گروه بازبهنجارش ماتریس چگالی (density matrix renormalization group) و لانکزوس استفاده کرده است. او همچنین همراه با همکارانش، الگوریتم‌های جدیدی را برای مطالعه سیستم‌های توصیف شده توسط مدل‌های اسپین-فرمیون، با ترکیبی از درجات آزادی کوانتومی و کلاسیک، مانند زمینه تبادل دوگانه (double exchange) که برای مواد در بخش مرکزی ردیف سوم جدول تناوبی استفاده می‌شود، توسعه داده است.

کارهای علمی برجسته

• در سال ۱۹۹۲، داگوتو با همکاری خوزه ریرا و داگ اسکلپینو، حوزه ترکیبات نردبانی (ladder compounds) را گشودند. این مواد دارای ساختارهای اتمی متشکل از دو زنجیره مجاور با جفت‌شدگی بین نردبان‌ها (در جهت عرضی) به اندازه‌ای قابل مقایسه با جفت‌شدگی در جهت طولی (در امتداد پایه‌ها) بودند. این تحقیق اولین بار نشان داد که گذار از یک زنجیره به یک صفحه دوبعدی کامل، یک فرآیند تدریجی صرف نیست. در عوض، مشخص شد که نردبان‌های با تعداد زوج و فرد پایه (که به دلیل هندسه شبیه نردبان، «پایه» نامیده می‌شوند) به کلاس‌هایی با رفتار کاملاً متفاوت تعلق دارند. نردبان‌های با پایه‌های زوج، به‌ویژه مورد دو پایه، توسط داگوتو از نظر تئوری پیش‌بینی شد که گپ اسپینی، خواص مایع اسپینی و گرایش به ابررسانایی را پس از دوپینگ با حفره نشان می‌دهند؛ تمامی این خواص در مواد خانواده ابررساناهای دمای بحرانی بالا مبتنی بر مس، به‌صورت تجربی تأیید شده‌اند. حتی در ابررساناهای دمای بحرانی بالای مبتنی بر آهن که اخیراً کشف شده‌اند، مواد «۱۲۳» مانند BaFe2S3 با هندسه نردبانی نیز تحت فشار بالا ابررسانایی نشان می‌دهند.
• داگوتو از تکنیک‌های محاسباتی برای مطالعه هامیلتونی‌های مدل ابررساناهای دمای بحرانی بالای مبتنی بر مس استفاده کرد و بدین ترتیب عدم قطعیت در تجزیه و تحلیل این مدل‌ها را هنگام استفاده از تقریب‌های دیگر، مانند میدان میانگین یا روش‌های متغیر، کاهش داد. در سال ۱۹۹۰، او به همراه همکاران پژوهشی و گروه‌های دیگر به‌طور مستقل، دریافت که کانال جاذبه غالب برای جفت‌های کوپر حفره در پس‌زمینه پادمغناط (antiferromagnetic) کانال dx2-y2 است. در همان سال، او خواص دینامیکی مدل هابارد و مدل t-J را به‌صورت محاسباتی، با پرداختن به پراکندگی فتوالکترون و وزن شبه‌ذرات، مطالعه کرد.
• در سال ۱۹۹۸، داگوتو تکنیک‌های مونت کارلو را توسعه داد که امکان اولین مطالعات محاسباتی مدل‌های اسپین-فرمیون برای منگانیت‌ها را، با همکاری سیجی یوناکی و آدریانا موریو، فراهم کرد. با استفاده از این تکنیک‌ها، جداسازی فاز شامل درجات آزادی الکترونیکی، که «جداسازی فاز الکترونیکی» نامیده شد، کشف گردید. تکنیک‌های محاسباتی توسعه‌یافته توسط او و همکاران پژوهشی، رقابت شدید بین حالت فلزی فرومغناطیس و حالت‌های پیچیده مرتب شده از بار-مدار-اسپین عایق را آشکار ساخت و توضیحی برای اثر مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر در منگانیت‌ها ارائه داد. اخیراً، تکنیک‌های مشابه مونت کارلو توسط او و همکاران برای مطالعه خواص ابررساناهای مبتنی بر آهن به کار گرفته شده و نقش شبکه را در تثبیت رژیم نِماتیک الکترونیکی بالاتر از دمای بحرانی پادمغناط نشان داده است.
• در مقاله‌ای پر استناد در سال ۲۰۰۵، داگوتو استدلال کرد که درجه آزادی الکترونیکی در اکسیدهای فلزات انتقالی و مواد مرتبط، ویژگی‌هایی شبیه به ماده نرم (soft matter) نشان می‌دهد، جایی که الگوهای پیچیده از برهم‌کنش‌های به ظاهر ساده پدیدار می‌شوند.
• در سال ۲۰۰۶، داگوتو و ایوان سرگینکو نظریه‌ای برای درک خواص چندفرومغناطیس (multiferroic) پرووسکیت‌های با پهنای باند باریک و سایر اکسیدها توسعه دادند. آرایش‌های اسپینی آن‌ها تقارن وارونگی را می‌شکند و این امر خواص فروالکتریک را تحریک می‌کند و منجر به چندفرومغناطیس‌ها می‌شود که موادی با خواص مغناطیسی و فروالکتریک هستند. او به همراه ایوان سرگینکو، چنگیز سن، سیلویا پیکوزی و همکاران، مگنتواستریکشن را به‌عنوان مکانیزمی برای چندفرومغناطیس پیشنهاد دادند.
• داگوتو چندین سهم دیگر در فیزیک نظری ماده چگال داشته است. او به همراه پنگ‌چنگ دای و جیانگ‌پینگ هو، در سال ۲۰۱۲ از جمله اولین کسانی بودند که استدلال کردند ابررساناهای دمای بحرانی بالای مبتنی بر آهن در حد کوپلینگ ضعیف هابارد قرار ندارند. بلکه در رژیم کوپلینگ هابارد متوسط ​​قرار دارند و بنابراین به ترکیبی از درجات آزادی موضعی و قابل انتقال نیاز دارند. به‌ویژه، سلنیدهای آهن نمونه‌ای از موادی هستند که در آن‌ها همبستگی‌های الکترونیکی و اختلال اسپینی را نمی‌توان نادیده گرفت. او به همراه جولیان رینکون، جَکِک هِربریخ و همکاران، با استفاده از گروه بازبهنجارش ماتریس چگالی، حالت‌های «بلاک» (block) را در مدل‌های هابارد چند مداری کم‌بعد به‌صورت محاسباتی کشف کردند. بلاک‌های اسپینی، گروه‌هایی از اسپین‌ها هستند که به‌صورت فرومغناطیس هم‌راستا شده و به‌صورت پادمغناطیس نسبت به هم جفت شده‌اند و فاکتورهای ساختار اسپینی دینامیکی خارق‌العاده‌ای را با ترکیبی از امواج اسپینی و مُدهای نوری نشان می‌دهند.
• در میان یافته‌های مرتبط، هِربریخ، داگوتو و همکاران وجود یک مارپیچ اسپینی ساخته شده از بلاک‌ها را فاش کردند، حالتی که قبلاً گزارش نشده بود. هنگامی که این حالت یک‌بعدی مارپیچی بر روی یک صفحه ابررسانای دوبعدی قرار می‌گیرد، فرمیون‌های ماژورانا به دلیل اثر مجاورت از صفحه، در زنجیره ایجاد می‌شوند و به همین دلیل این هندسه زنجیره-صفحه ارزش بالقوه‌ای در محاسبات کوانتومی توپولوژیکی دارد. او به همراه نارایان موهانتا و ساتوشی اوکاموتو، ماژوراناها را در هندسه سه‌لایه‌ای دوبعدی با یک کریستال اسکِرمِنیون در پایین، یک گاز الکترونی در وسط، و یک ابررسانای استاندارد در بالا با یک کانال یک‌بعدی حک شده، گزارش کردند. در چارچوب توپولوژی در یک بعد، او، نیرَو پاتل و همکاران، یک مدل الکترونیکی فرمیونی دو مداری پیشنهاد کردند که در کوپلینگ قوی هابارد به زنجیره Haldane با S=1 تبدیل می‌شود و شباهت‌هایی با حالت AKLT سیستم‌های اسپینی دارد. مدل فرمیونی پیشنهادی دارای گپ اسپینی و خواص مایع اسپینی، مانند زنجیره Haldane، است و با زنجیره هیزنبرگ S=1/2 تفاوت زیادی دارد. علاوه بر این، او و همکارانش ابررسانایی را پس از دوپینگ با حفره، مشابه آنچه در نردبان‌ها به دلیل وجود سینگلت‌های اسپینی ½ از پیش شکل گرفته در حالت پایه، مانند حالت ریسمان والانس تشدید شده (resonant valence bond state)، رخ می‌دهد، پیش‌بینی کردند.
• داگوتو همچنین به جنبه‌های نظری فصل مشترک‌های اکسیدی که در آن اکسیدها یکی بر روی دیگری رشد می‌کنند و فصل مشترک‌هایی ایجاد می‌کنند که در آن‌ها بازسازی‌های اسپین، بار، مدار و شبکه می‌توانند رخ دهند، کمک کرده است. او به همراه شوای دنگ و همکاران، نشان داد که یک سوپرلتیس ساخته شده از اجزای اکسید منگنز عایق، در هندسه جدید به‌طور کلی فلزی می‌شود. او همچنین در زمینه اسکِرمِنیون‌ها (skyrmions) کار کرده است. در مراحل اولیه حرفه خود، او به فیزیک ذرات در چارچوب تئوری‌های پیمانه‌ای شبکه‌ای، به فصل مشترک بین فیزیک ذرات و ماده چگال، و به سیستم‌های اسپینی آشفته (frustrated spin systems) کمک کرده است.

زندگی شخصی

داگوتو با آدریانا موریو، فیزیکدان دیگری که در دوران دانشجویی در مؤسسه بالسروس با او آشنا شد، ازدواج کرده است و دو فرزند دارند.

جوایز و افتخارات

• ۱۹۹۸ – عضو، انجمن فیزیک آمریکا
• ۲۰۰۶ – عضو، کمیته علوم حالت جامد آکادمی ملی علوم
• ۲۰۰۸ – داور برجسته، انجمن فیزیک آمریکا (APS)
• ۲۰۱۰ – عضو، انجمن پیشرفت علم آمریکا (AAAS)
• ۲۰۱۲ – داور برجسته، Europhysics Letters (EPL)
• ۲۰۱۹، ۲۰۲۱، ۲۰۲۳ – جایزه معلم سال، دانشگاه تنسی
• ۲۰۲۳ – جایزه سخنرانی دیوید ادلر در زمینه فیزیک مواد، انجمن فیزیک آمریکا با ذکر «برای کار پیشگامانه در چارچوب نظری سیستم‌های الکترونیکی همبسته و توصیف اهمیت آن‌ها از طریق ارتباطات کتبی و شفاهی زیبا.»
• ۲۰۲۳ – جایزه الکساندر، دانشگاه تنسی

کتاب‌شناسی

کتاب‌ها

• Nanoscale Phase Separation and Colossal Magnetoresistance (2003) ISBN 9783540432456
• Multifunctional Oxide Heterostructures (2012) ISBN 9780199584123

مقالات منتخب

• Dagotto, E., Riera, J., & Scalapino, D. (1992). Superconductivity in ladders and coupled planes. Physical Review B, 45(10), 5744.
• Barnes, T., Dagotto, E., Riera, J., & Swanson, E. S. (1993). Excitation spectrum of Heisenberg spin ladders. Physical Review B, 47(6), 3196.
• Dagotto, E. (1994). Correlated electrons in high-temperature superconductors. Reviews of Modern Physics, 66(3), 763.
• Dagotto, E., & Rice, T. M. (1996). Surprises on the way from one-to two-dimensional quantum magnets: The ladder materials. Science, 271(5249), 618–623.
• Yunoki, S., Hu, J., Malvezzi, A. L., Moreo, A., Furukawa, N., & Dagotto, E. (1998). Phase separation in electronic models for manganites. Physical Review Letters, 80(4), 845.
• Moreo, A., Yunoki, S., & Dagotto, E. (1999). Phase separation scenario for manganese oxides and related materials. Science, 283(5410), 2034–2040.
• Dagotto, E., Hotta, T., & Moreo, A. (2001). Colossal magnetoresistant materials: the key role of phase separation. Physics Reports, 344(1–3), 1–153.
• Dagotto, E. (2005). Complexity in strongly correlated electronic systems. Science, 309(5732), 257–262.
• Sergienko, I. A., & Dagotto, E. (2006). Role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in multiferroic perovskites. Physical Review B, 73(9), 094434.
• Dai, P., Hu, J., & Dagotto, E. (2012). Magnetism and its microscopic origin in iron-based high-temperature superconductors. Nature Physics, 8(10), 709–718.