En ny teoretisk model til at fange spindynamik i Rydberg -molekyler

Rydberg -molekyler er kæmpemolekyler, der består af snesevis eller hundredvis af atomer bundet til et Rydberg -atom. Disse molekyler har en permanent dipol (dvs. et par modsat ladede eller magnetiserede poler), som et af deres atomer er i en meget ophidset tilstand.

Fysikere har studeret Rydberg -molekyler både teoretisk og eksperimentelt i flere år. De fleste undersøgelser, der undersøger disse molekyler, imidlertid, har kun fokuseret på situationer, der ikke involverer kvantespin, da Rydberg-molekylernes mangekrops-natur gør analysen af ​​deres spin-dynamik særligt udfordrende.

I en nylig teoretisk undersøgelse, forskere ved University of Tokyo, det kinesiske videnskabsakademi, Max Planck Institute og Harvard University var i stand til at fange samspillet mellem Rydberg-elektron-spindynamikken og atomernes orbitale bevægelse ved hjælp af en ny metode, der kombinerer en urenhedsafkoblingstransformation med en gaussisk ansatz. Deres papirer, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve og Fysisk gennemgang A , introducere en ny teoretisk model, der også kan anvendes på andre kvante-mange-kropsproblemer.

"Analysen af ​​spindynamikken i Rydberg-molekyler er fortsat et udfordrende problem på grund af deres iboende mangekroppens natur, "Yuto Ashida, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Hovedformålet med vores forskning var at tackle dette problem, fremme vores forståelse af ude af ligevægt spindynamik i spinful Rydberg-gasser."

Hovedudfordringen ved at undersøge spin-dynamik uden for ligevægten i spinfulde Rydberg-gasser er, at fysikere skal tage hensyn til atomernes orbitale bevægelse og forurening-miljø-sammenfiltring, der medieres via ultralong-range-koblingen samtidigt. Dette har hidtil gjort det meget vanskeligt at fange spin -dynamikken i Rydberg -molekyler.

"Så vidt vi ved, der er ingen teoretisk tilgang gældende for denne nye type kvante mange-kropsproblemer, "Ashida forklarede." Dette er grunden til, at vi udviklede en ny variationstilgang, der kan anvendes til at løse en generisk type bosonisk kvanteurenhedsproblem. "

Den nye teoretiske tilgang, der blev introduceret af Ashida og hans kolleger, er baseret på en idé kaldet "afvikling af kanonisk transformation, "som blev introduceret af det samme forskerhold i en tidligere artikel, også udgivet i PRL . Den afviklende kanoniske transformation udnytter paritetssymmetrien til fuldstændigt at afkoble urenheds- og miljøets frihedsgrader, hvilket i sidste ende giver forskerne mulighed for at overvinde de problemer, der er forbundet med at fange spindynamikken i Rydberg -gasser på en meget effektiv måde.

Den variationsmetode, som Ashida og hans kolleger brugte til at indfange samspillet mellem Rydberg-elektron-spindynamikken og atomernes orbitale bevægelse i Rydberg-molekyler, kombinerer den kanoniske transformation, der er blevet afviklet, med et gaussisk ansatz for partiklens bad. Denne metode gjorde det muligt for forskerne at afsløre flere funktioner, der ikke er til stede i traditionelle urenhedsproblemer.

Et af disse træk er den interaktionsinducerede renormalisering af absorptionsspektret, som undgår simple forklaringer fra molekylære bundne tilstande. Ved hjælp af deres variationsmetode, forskerne var også i stand til at observere langvarige svingninger af Rydberg-elektron-spin.

"Det mest interessante fund af vores undersøgelse var, at spin-precession-dynamikken har en uventet lang levetid på trods af den ikke-integrerbare natur af det nuværende interagerende mange-kropsproblem, "Sagde Ashida." Vi fortolker denne funktion som en rest af integriteten af ​​det såkaldte centrale spin-problem, som kan opnås, hvis vi tager grænsen for uendelig masse i vores model. "

Observationen af, at spin-precessionsdynamik i Rydberg-molekyler har en overraskende lang varighed, kan have konsekvenser for flere underfelter af fysik, herunder atomare, molekylær og optisk (AMO) fysik. Faktisk, tilstedeværelsen af ​​afslapning og termalisering i komplekse systemer med mange kroppe er stadig et aktivt forskningsområde inden for både AMO-fysik og statistisk fysik.

I fremtiden, den variationsmodel, som forskerne udviklede, og de analyser, de foretog, kunne også anvendes på andre systemer inden for atomfysik og kvantekemi. Dette gælder især for systemer, hvor en elektron excitation af et højt orbitalt kvantetal interagerer med et spinfuldt kvantebad.

"I vores næste undersøgelser, vi vil gerne udvide vores model yderligere til at omfatte ikke -nul vinkelmoment af Rydberg -elektronen, "Ashida sagde." Andre åbne forskningsspørgsmål omfatter generalisering af vores problem til fermionisk bad, anvendelse af vores generelle variationstilgang til andre udfordrende kvanteurenhedsproblemer. Vi håber, at vores undersøgelser vil stimulere yderligere forskning i disse retninger. "

© 2019 Science X Network