Risfysikere RAMBO afslører magnetiske fænomener, der er nyttige til kvantesimulering og sansning

Nogle gange er tingene lidt ude af drift, og det viser sig at være præcis, hvad du har brug for.

Det var tilfældet, da orthoferrit-krystaller dukkede op på et Rice University-laboratorium en smule forkert justeret. Disse krystaller blev uforvarende grundlaget for en opdagelse, der burde give genlyd hos forskere, der studerede spintronik-baseret kvanteteknologi.

Risfysiker Junichiro Kono, alumnus Takuma Makihara og deres samarbejdspartnere fandt et orthoferritmateriale, i dette tilfælde yttriumjernoxid, anbragt i et højt magnetfelt viste unikt tunerbar, ultrastærke interaktioner mellem magnoner i krystallen.

Orthoferriter er jernoxidkrystaller med tilsætning af et eller flere sjældne jordarters grundstoffer.

Magnoner er kvasipartikler, spøgelsesagtige konstruktioner, der repræsenterer den kollektive excitation af elektronspin i et krystalgitter.

Hvad det ene har med det andet at gøre, er grundlaget for en undersøgelse, der optræder i Naturkommunikation , hvor Kono og hans team beskriver en usædvanlig kobling mellem to magnoner domineret af antiresonans, hvorigennem begge magnoner får eller mister energi samtidigt.

Som regel, når to oscillatorer kobles resonant, den ene får energi på bekostning af den anden, spare total energi, sagde Kono.

Men i antiresonant (eller modsat roterende) kobling, begge oscillatorer kan få eller miste energi på samme tid gennem interaktion med kvantevakuumet, nulpunktsfeltet forudsagt at eksistere af kvantemekanikken.

Tænk på det som en flygtig vippe, der kan tvinges til at bøje på midten.

Makihara og medforfatterne Kenji Hayashida fra Hokkaido University og fysiker Motoaki Bamba fra Kyoto University brugte opdagelsen til at vise via teori sandsynligheden for betydelig kvanteklemning i grundtilstanden af ​​det koblede magnon-magnon-system.

I klemt tilstand, mængden af ​​udsving, eller støj, af en målbar mængde forbundet med magnonerne kan undertrykkes, med samtidig øget støj i en anden mængde, sagde Kono. "Det er relateret til Heisenberg-usikkerhedsprincippet, hvor et sæt variabler er korreleret, men hvis du prøver at måle en præcis, du mister information om den anden. Hvis du klemmer en, usikkerheden om den anden vokser.

"Som regel, for at skabe en kvantepresset tilstand, man skal kraftigt drive systemet ved hjælp af en laserstråle. Men Takumas system er i sig selv presset; det er, det kan beskrives som en allerede presset tilstand, " sagde han. "Dette kunne blive en nyttig platform til kvanteregistreringsapplikationer."

Makihara sagde, at den unikke tilstand opnås med et stærkt magnetfelt som det, der bruges til magnetisk resonansbilleddannelse. Feltet påfører drejningsmoment til de magnetiske momenter i atomer, i dette tilfælde dem fra orthoferriten. Det får dem til at rotere (eller præcessere).

Det kræver et stærkt felt. Kono-laboratoriets RAMBO – Rice Advanced Magnet with Broadband Optics – er et unikt spektrometer udviklet med fysiker Hiroyuki Nojiri ved Tohoku University, der gør det muligt for forskere at eksponere materialer afkølet til næsten det absolutte nul til kraftige magnetfelter op til 30 tesla i kombination med ultrakorte laserimpulser .

"Vi sagde, 'Hvad kan vi studere med RAMBO? Hvilken ny fysik er der i dette unikke regime?'" sagde Makihara, nu kandidatstuderende ved Stanford University. "Orthoferriter har disse magnoner, der skifter op til 30 tesla og frekvenser i terahertz-regimet. De indledende målinger var ikke så interessante.

"Men så modtog vi krystaller (dyrket af Shanghai University fysiker Shixun Cao og hans gruppe), som ikke havde perfekt parallelle ansigter, " sagde han. "De var lidt skåret i en vinkel. Og en dag, vi satte krystallen på magneten i en sådan vinkel, at magnetfeltet ikke blev påført langs krystalaksen.

"Vi forventede, at magnon-frekvensen bare ville skifte op med magnetfeltet, men da den blev vippet, vi så et lille hul, " sagde Makihara. "Så, efter at have diskuteret dette fund med professor Bamba, vi anmodede eksplicit om krystaller, der blev skåret i forskellige vinkler og målte dem, og så denne enorme grad af anti-krydsning. Det er signaturen på ultrastærk kobling."

Antiresonans eksisterer altid i lys-stof og stof-stof interaktioner, men er en mindre tilstedeværelse sammenlignet med den dominerende resonante interaktion, bemærkede forskerne. Det var ikke tilfældet med orthoferriterne undersøgt af Kono-laboratoriet.

At udsætte materialet for et højt magnetfelt og vippe krystallen i forhold til feltet pumpede antiresonans, der var lig med og endda oversteg resonansen.

Hvis yderligere roterende magnetfelter (f.eks. fra cirkulært polariseret lys) indføres, de foregående momenter interagerer stærkt med felter, der roterer med momenterne (de co-roterende felter), hvorimod de svagt interagerer med felter, der roterer i de modsatte retninger (de modsat roterende felter).

I kvanteteorien, Bamba sagde, disse såkaldte modroterende vekselvirkninger fører til bizarre vekselvirkninger, hvor både lys- og stofsubsystemer kan vinde eller miste energi på samme tid. Interaktionerne mellem de magnetiske momenter og de modsat roterende felter betragtes som antiresonante og har normalt ringe effekt. Imidlertid, i det stof-materie koblede system studeret på Rice, de antiresonante vekselvirkninger kunne gøres dominerende.

"Styrken af ​​de co-roterende og modroterende interaktioner er normalt en fast konstant i et system, og virkningerne af de samroterende interaktioner dominerer altid virkningerne af de modroterende interaktioner, " sagde Kono. "Men dette system er kontraintuitivt, fordi der er to uafhængige koblingsstyrker, og de er utroligt indstillelige via krystalorientering og magnetisk feltstyrke. Vi kan skabe en ny situation, hvor effekter fra de modroterende termer er mere dominerende end fra de co-roterende termer.

"I lysstofsystemer, når frekvenserne af lys og stof bliver ens, de blandes sammen for at danne en polariton, " sagde han. "Noget lignende sker i vores tilfælde, men det er mellem materie og materie. To magnon-tilstande hybridiserer. Der er et langvarigt spørgsmål om, hvad der sker, når graden af ​​hybridisering bliver så høj, at den endda overstiger resonansenergien.

"I et sådant regime, eksotiske fænomener forudsiges at opstå på grund af modroterende interaktioner, inklusive en sammenpresset vakuumtilstand og en faseovergang til en ny tilstand, hvor statiske felter spontant opstår, " sagde han. "Og vi fandt ud af, at vi kan opnå sådanne forhold ved at indstille magnetfeltet."

Den nye undersøgelse fremmer Kono-holdets bestræbelser på at observere Dickes superstrålende faseovergang, et fænomen, der kunne skabe en ny eksotisk tilstand af stof og føre til fremskridt inden for kvantehukommelse og transduktion. Laboratoriet fandt en lovende tilgang til at realisere det i stof-stof-kobling i 2018, rapporterer sin opdagelse i Videnskab .

Opdagelsen viser også, at orthoferrit i et magnetfelt kunne tjene som en kvantesimulator, et simpelt og meget afstembart kvantesystem, der repræsenterer et mere komplekst et med et uoverskueligt antal interagerende partikler eller et eksperimentelt utilgængeligt regime af parametre, sagde Kono.

Afstembar magnon-magnon-kobling i orthoferriter kan bruges til at give indsigt i arten af ​​grundtilstanden for en ultrastærk, koblet let-stof hybrid, han sagde.

Kono sagde, at deres resultater også vil bede en søgning efter flere materialer, der udviser effekten. "Rare-earth orthoferrites er en stor familie af materialer, og vi studerede kun en, " han sagde.