Ultrakolde atomer afslører en ny type kvantemagnetisk adfærd

En ny undersøgelse belyser overraskende koreografi blandt roterende atomer. I et papir, der vises i journalen Natur , forskere fra MIT og Harvard University afslører, hvordan magnetiske kræfter ved kvanten, atomskala påvirker, hvordan atomer orienterer deres spins.

I forsøg med ultrakølede lithiumatomer, forskerne observerede forskellige måder, hvorpå atomernes spind udvikler sig. Som tippy ballerinaer, der piruetter tilbage til opretstående positioner, de roterende atomer vender tilbage til en ligevægtsorientering på en måde, der afhænger af de magnetiske kræfter mellem individuelle atomer. For eksempel, atomer kan dreje til ligevægt i en ekstremt hurtig, "ballistisk" eller langsommere, mere diffust mønster.

Forskerne fandt ud af, at denne adfærd, som ikke var blevet observeret før nu, kunne beskrives matematisk ved hjælp af Heisenberg -modellen, et sæt ligninger, der normalt bruges til at forudsige magnetisk adfærd. Deres resultater omhandler magnetismens grundlæggende karakter, afslører en mangfoldighed af adfærd i et af de enkleste magnetiske materialer.

Denne forbedrede forståelse af magnetisme kan hjælpe ingeniører med at designe "spintronic" -enheder, som sender, behandle, og gemme information ved hjælp af spin af kvantepartikler frem for strømmen af ​​elektroner.

"Studerer et af de enkleste magnetiske materialer, vi har avanceret forståelsen af ​​magnetisme, "siger Wolfgang Ketterle, John D. Arthur -professoren i fysik ved MIT og lederen af ​​MIT -teamet. "Når du finder nye fænomener i en af ​​de enkleste modeller i fysik for magnetisme, så har du en chance for fuldt ud at beskrive og forstå det. Det er det, der får mig ud af sengen om morgenen, og gør mig begejstret. "

Ketterles medforfattere er MIT-kandidatstuderende og hovedforfatter Paul Niklas Jepsen, sammen med Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, begge MIT postdocs, Wen Wei Ho, en postdoc ved Harvard University og Stanford University, og Eugene Demler, en professor i fysik ved Harvard. Alle er forskere i MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. MIT -teamet er tilknyttet instituttets afdeling for fysik og forskningslaboratorium for elektronik.

Strenge af spins

Quantum spin betragtes som den mikroskopiske enhed for magnetisme. På kvanteskalaen, atomer kan dreje med eller mod uret, hvilket giver dem en orientering, som en kompassnål. I magnetiske materialer, spin af mange atomer kan vise en række fænomener, herunder ligevægtstilstande, hvor atomspins er justeret, og dynamisk adfærd, hvor spinnene på tværs af mange atomer ligner et bølgelignende mønster.

Det er dette sidstnævnte mønster, som blev undersøgt af forskerne. Dynamikken i det bølgelignende spin -mønster er meget følsom over for de magnetiske kræfter mellem atomer. Det bølgede mønster forsvandt meget hurtigere for isotropiske magnetiske kræfter end for anisotrope kræfter. (Isotropiske kræfter afhænger ikke af, hvordan alle spins er orienteret i rummet).

Ketterles gruppe havde til formål at studere dette fænomen med et eksperiment, hvor de først brugte etablerede laserkølingsteknikker til at bringe litiumatomer ned til omkring 50 nanokelvin-mere end 10 millioner gange koldere end interstellært rum.

Ved sådanne ultrakølede temperaturer, atomer er frosset til næsten stilstand, så forskere i detaljer kan se alle magnetiske effekter, der ellers ville blive maskeret af atomernes termiske bevægelse. Forskerne brugte derefter et system af lasere til at fange og arrangere flere strenge med 40 atomer hver, som perler på en snor. I alt, de genererede et gitter på omkring 1, 000 strenge, omfattende omkring 40, 000 atomer.

"Du kan tænke på laserne som en pincet, der griber atomerne, og hvis de er varmere, ville de flygte, ”Forklarer Jepsen.

De anvendte derefter et mønster af radiobølger og en pulserende magnetisk kraft på hele gitteret, som fik hvert atom langs strengen til at vippe sit spin til et spiralformet (eller bølget) mønster. De bølgelignende mønstre af disse strenge svarer tilsammen til en periodisk densitetsmodulering af "spin up" -atomerne, der danner et mønster af striber, som forskerne kunne forestille sig på en detektor. De så derefter, hvordan stribemønstrene forsvandt, da de enkelte spins af atomerne nærmede sig deres ligevægtstilstand.

Ketterle sammenligner eksperimentet med at plukke strengen på en guitar. Hvis forskerne skulle se på atomernes spind ved ligevægt, dette ville ikke fortælle dem meget om de magnetiske kræfter mellem atomerne, ligesom en guitarstreng i hvile ikke ville afsløre meget om dens fysiske egenskaber. Ved at plukke snoren, bringe det ud af ligevægt, og se hvordan den vibrerer og til sidst vender tilbage til sin oprindelige tilstand, man kan lære noget fundamentalt om strengens fysiske egenskaber.

"Det vi laver her er, vi plukker lidt snoren. Vi indsætter dette helixmønster, og derefter observere hvordan dette mønster opfører sig som en funktion af tiden, "Ketterle siger." Dette giver os mulighed for at se effekten af ​​forskellige magnetiske kræfter mellem spinnene. "

Ballistik og blæk

I deres eksperiment, forskerne ændrede styrken af ​​den pulserende magnetiske kraft, de påførte, at variere stribernes bredde i atomspindmønstrene. De målte, hvor hurtigt og på hvilke måder, mønstrene falmede. Afhængig af arten af ​​magnetiske kræfter mellem atomer, de observerede påfaldende forskellig adfærd i, hvordan kvantespins vendte tilbage til ligevægt.

De opdagede en overgang mellem ballistisk adfærd, hvor spinnene hurtigt skød tilbage til en ligevægtstilstand, og diffus adfærd, hvor spinnene formerer sig mere uregelmæssigt, og det overordnede stribemønster spredte sig langsomt tilbage til ligevægt, som en blækdråbe, der langsomt opløses i vand.

Noget af denne adfærd er teoretisk forudsagt, men aldrig observeret i detaljer før nu. Nogle andre resultater var helt uventede. Hvad mere er, forskerne fandt, at deres observationer passede matematisk til det, de beregnede med Heisenberg -modellen for deres eksperimentelle parametre. De gik sammen med teoretikere på Harvard, der udførte topmoderne beregninger af spindynamikken.

"Det var interessant at se, at der var ejendomme, der var lette at måle, men svært at beregne og andre ejendomme kunne beregnes, men ikke målt "Siger Ho.

Ud over at fremme forståelsen af ​​magnetisme på et grundlæggende niveau, teamets resultater kan bruges til at undersøge egenskaberne ved nye materialer, som en slags kvantesimulator. En sådan platform kunne fungere som en speciel kvantecomputer, der beregner materialers adfærd, på en måde, der overstiger mulighederne for nutidens mest kraftfulde computere.

"Med al den nuværende spænding om løftet om kvanteinformationsvidenskab om at løse praktiske problemer i fremtiden, det er dejligt at se arbejde som dette faktisk blive til virkelighed i dag, "siger John Gillaspy, programofficer i Division of Physics ved National Science Foundation, en finansierer af forskningen.