Forskergruppen finder tegn på kobling mellem stof og stof

Efter deres seneste pionereksperimenter for at koble lys og stof i ekstrem grad, Forskere fra Rice University besluttede at lede efter en lignende effekt i materie alene. De forventede ikke at finde den så hurtigt.

Risfysiker Junichiro Kono, kandidatstuderende Xinwei Li og deres internationale kolleger har opdaget det første eksempel på Dicke-kooperativitet i et materiesystem, et resultat rapporteret i Videnskab denne uge.

Opdagelsen kunne hjælpe med at fremme forståelsen af ​​spintronics og kvantemagnetisme, Sagde Kono. På spintronics side, han sagde, at arbejdet vil føre til hurtigere informationsbehandling med lavere strømforbrug og vil bidrage til udviklingen af ​​spin-baseret kvanteberegning. Teamets fund om kvantemagnetisme vil føre til en dybere forståelse af materiens faser, der er forårsaget af interaktioner mellem mange legemer i atomskalaen.

I stedet for at bruge lys til at udløse interaktioner i en kvantebrønd, et system, der fremlagde nye beviser for ultrastærk lysmateriale-kobling tidligere på året, Kono -laboratoriet i Rice brugte et magnetfelt til at fremkalde kooperativitet mellem spinnene i en krystallinsk forbindelse, der primært var fremstillet af jern og erbium.

"Dette er et nye emne inden for kondenseret fysik, "Sagde Kono." Der er en lang historie inden for atom- og molekylær fysik med at lede efter fænomenet ultra -stærk kooperativ kobling. I vores tilfælde, vi havde allerede fundet en måde at få lys og kondenseret stof til at interagere og hybridisere, men det, vi rapporterer her, er mere eksotisk. "

Dicke kooperativitet, opkaldt efter fysiker Robert Dicke, sker, når indgående stråling får en samling atomdipoler til at koble sig sammen, som gear i en motor, der faktisk ikke rører. Dicks tidlige arbejde satte scenen for opfindelsen af ​​lasere, opdagelsen af ​​kosmisk baggrundsstråling i universet og udviklingen af ​​lock-in forstærkere, der bruges af forskere og ingeniører.

"Dicke var en usædvanligt produktiv fysiker, "Kono sagde." Han havde mange papirer og resultater med stor indflydelse på næsten alle fysikområder. Det særlige Dicke -fænomen, der er relevant for vores arbejde, er relateret til superradiance, som han introducerede i 1954. Ideen er, at hvis du har en samling af atomer, eller spinder, de kan arbejde sammen i lys-stof-interaktion for at gøre spontan emission sammenhængende. Dette var en meget mærkelig idé.

"Når du stimulerer mange atomer inden for et lille volumen, et atom producerer en foton, der umiddelbart interagerer med et andet atom i den ophidsede tilstand, "Sagde Kono." Atomet producerer en anden foton. Nu har du en sammenhængende superposition af to fotoner.

"Dette sker mellem hvert par atomer i volumenet og producerer makroskopisk polarisering, der til sidst fører til et udbrud af sammenhængende lys kaldet superradiance, "sagde han. At tage lys ud af ligningen betød, at Kono -laboratoriet måtte finde en anden måde at ophidse materialets dipoler på, den kompasslignende magnetiske kraft i hvert atom, og bed dem om at justere. Fordi laboratoriet er unikt udstyret til sådanne eksperimenter, da testmaterialet dukkede op, Kono og Li var klar.

"Prøven blev leveret af min kollega (og medforfatter) Shixun Cao ved Shanghai University, "Sagde Kono. Karakteriseringstest med et lille eller intet magnetfelt udført af en anden medforfatter, Dmitry Turchinovich fra University of Duisburg-Essen, fik lidt svar.

"Men Dmitry er en god ven, og han ved, at vi har et specielt eksperimentelt setup, der kombinerer terahertz -spektroskopi, lave temperaturer og højt magnetfelt, "Sagde Kono." Han var nysgerrig efter at vide, hvad der ville ske, hvis vi foretog målingerne. "

"Fordi vi har en vis erfaring på dette område, vi fik vores indledende data, identificerede nogle interessante detaljer i det og troede, at der var noget mere, vi kunne udforske i dybden, "Tilføjede Li." Men vi forudsagde bestemt ikke dette, "Sagde Kono.

Li sagde, at for at vise kooperativitet, Forbindelsens magnetiske komponenter skulle efterligne de to essentielle ingredienser i et standard lys-atom-koblingssystem, hvor Dicke-kooperativitet oprindeligt blev foreslået:en en art af spins, der kan spændes ind i et bølgelignende objekt, der simulerer lysbølgen, og et andet med kvanteenerginiveauer, der ville skifte med det anvendte magnetfelt og simulere atomerne.

"Inden for en enkelt orthoferritforbindelse, på den ene side kan jernionerne udløses til at danne en spinbølge ved en bestemt frekvens, "Sagde Li." På den anden side, vi brugte elektronparamagnetisk resonans af erbiumionerne, som danner en kvantestruktur på to niveauer, der interagerer med spinbølgen. "

Mens laboratoriets kraftfulde magnet afstemte energiniveauet for erbiumionerne, som detekteret af terahertz -spektroskopet, det viste ikke i første omgang stærke interaktioner med jernspindbølgen ved stuetemperatur. Men interaktionerne begyndte at dukke op ved lavere temperaturer, ses i en spektroskopisk måling af koblingsstyrke kendt som vakuum Rabi -spaltning.

Kemisk doping af erbium med yttrium bragte det i overensstemmelse med observationen og viste Dicke -kooperativitet i de magnetiske interaktioner. "Den måde, hvorpå koblingsstyrken øgede matcher på en fremragende måde med Dickes tidlige forudsigelser, "Sagde Li." Men her, lys er ude af billedet, og koblingen er af materie-sag. "

"Samspillet, vi taler om, er virkelig atomistisk, "Sagde Kono." Vi viser to former for spin, der interagerer i et enkelt materiale. Det er en kvantemekanisk interaktion, snarere end den klassiske mekanik, vi ser i lysstofkobling. Dette åbner nye muligheder for ikke kun at forstå, men også kontrollere og forudsige nye faser af kondenseret stof. "