Den eksperimentelle observation af langlivede fantomspiraltilstande i Heisenberg kvantemagneter

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, Harvard University og Stanford University har for nylig afsløret eksistensen af ​​unikke spiralformede spin-tilstande i Heisenberg kvantemagneter. Deres observationer, offentliggjort i et papir i Nature Physics , kunne have vigtige implikationer for simulering af spin-relaterede fysiske processer og dynamik i kvante mange-krops systemer.

"Da vi startede dette projekt, var vores primære mål at undersøge dynamikken i kvantemagnetisme," fortalte Eunice (Yoo Kyung) Lee og Wen Wei Ho, to af forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Kvantemagnetisme ligger til grund for mange af de teknologier, vi bruger i dag, inklusive hukommelseslagringsenheder, og er derfor af fundamental interesse."

For at modellere kvantemagnetisme kan man afbilde hver elementarpartikel som bærende et spin (f.eks. som en snurretop), som kan pege i forskellige retninger. I denne sammenhæng kan to nærliggende spin udveksle deres relative orientering via en mellemtilstand med begge partikler på samme sted.

"Denne idé er fanget af en simpel lærebogsmodel kaldet Heisenberg-spinmodellen, som vi kan realisere i én dimension (dvs. en kæde) i vores eksperimentelle platform ved hjælp af ultrakolde atomer," forklarede Lee. "Generelt, hvis vi forbereder et simpelt mønster af spins, siger, at alle spins er justeret, så bliver mønsteret med tiden rodet sammen:Der vil være en tilfældig blanding af spins, der peger i alle forskellige retninger. Denne proces, kendt som termalisering, er det, der til sidst ødelægger information."

En nylig undersøgelse foretaget af et team af teoretiske fysikere ved University of Wuppertal og University of Ljubljana antydede eksistensen af ​​et simpelt mønster af spins, der slet ikke udvikler sig og derfor er mindre påvirket af termalisering. Disse spins, der går i spiral langs kæden i x-y-planet og med en vis pitch, er kendt som "fantomhelix-tilstande". I modsætning til andre tilstande burde fantomhelixtilstande teoretisk set være i stand til at lagre information i meget lange perioder.

"Heisenberg-modellen er næsten hundrede år gammel, så vi var især begejstrede for disse overraskende nye 'fantomhelix-tilstande' og satte os for at observere dem," sagde Lee. "For at gøre det var vi nødt til at forberede en spin-helix-tilstand med en bestemt bølgelængde og derefter se, hvordan kontrasten af ​​helixen (dvs. amplituden af ​​vores sinusformede spin-mønster) faldt over tid. Hvis fantomhelix-tilstanden eksisterede, ville vi ville se et minimum i henfaldshastigheden af ​​kontrasten. Vi observerede faktisk dette minimum og fortalte os, at vi fandt de langlivede fantomhelix-tilstande, som vi ledte efter!"

Den nylige artikel af Lee og hendes kolleger bygger også på deres tidligere undersøgelser, især med hensyn til de strategier, de brugte til at karakterisere, hvordan kontrasten i systemet ville forfalde over tid. For at bekræfte, at de henfaldshastigheder, de observerede, var i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, brugte de også beregninger udført af Wen Wei Ho, en af ​​deres samarbejdspartnere, i et tidligere papir.

Målet med deres nye undersøgelse var at observere "fantom" helixtilstande (dvs. tilstande, der bidrager med nul energi, men endeligt momentum) forudsagt af teoretikere ved University of Wuppertal i eksperimentelle omgivelser. For at gøre dette indlæste Lee og hendes kolleger ultrakolde lithiumatomer i et 3D optisk gitter, som blev skabt ved hjælp af tre stående bølger af intense laserstråler.

"Vi initialiserede vores spin-helix ved at rotere vores magneter til det tværgående plan, og derefter vikle spindene, indtil de skaber en tværgående helix; dette skaber vores sinusformede spin-mønster," sagde Lee. "Ved at se henfaldet af spin-mønsteret for forskellige bølgelængder, udvinder vi de karakteristiske levetider for disse tilstande. Viklingsvinklen (eller bølgevektoren) for helixen med den minimale henfaldshastighed er den langlivede fantomhelixtilstand."

Ud over at observere de teoretisk forudsagte fantomhelix-tilstande, var Lee og hendes kolleger i stand til at identificere en måde at måle interaktionsanisotropien i deres model. Dette er i bund og grund styrken af ​​interaktioner mellem tværgående og langsgående retninger, som udmønter sig i specifik spindynamik.

"Heisenberg-modellen, som vi brugte, har forskellige interaktionsstyrker mellem xy (tværgående) og z (langsgående) retninger," sagde Lee. "Vi kan ændre denne interaktionsanisotropi, Δ, ved at tune vores magnetfelt og ændre spredningslængderne mellem vores partikler. Dette er den eneste vigtige parameter i vores Hamiltonian, og kontrollerer dermed al spindynamikken i dette enkle, men rige system."

Tidligere kunne fysikere kun estimere interaktionsanisotropien ved hjælp af teoretiske modeller. Imidlertid viser resultaterne indsamlet af dette team af forskere, at fantomhelix-tilstande kan bruges til direkte at måle denne parameter, som er særlig vigtig for at udføre kvantesimuleringer. I fremtiden kan resultaterne af Lee og hendes kolleger således vise sig at være uvurderlige for at øge pålideligheden og pålideligheden af ​​forskellige kvantesimuleringer.

"Vi fandt også store bidrag til spindynamikken fra termer af højere orden," sagde Lee. "Teori forudsiger anisotropien rimeligt godt, når interaktionerne mellem to partikler er små; dette er det regime, hvor kvantemagnetisme typisk studeres, fordi modellen nedbrydes, når interaktionerne er store. Vi fandt dog ud af, at spin-modellen stadig er en valid beskrivelse ved store interaktionsstyrker, selvom teorien for den beregnede anisotropi fuldstændig bryder sammen."

I det væsentlige tyder resultaterne indsamlet af Lee og hendes kolleger på, at teoretiske modeller, der beskriver spindynamik, er ufuldstændige, da de ikke altid producerer pålidelige anisotropiske skøn. I deres fremtidige værker planlægger de således at udforske eksisterende modellers begrænsninger mere i dybden, mens de også skitserer mekanismen bag phantom helix states mere i dybden.

Endelig antyder det nylige arbejde fra dette team af forskere også en potentiel forbindelse mellem fantomhelix-tilstande og kvantemangel-kropsar. Kvante ar på mange krop er et unikt sæt tilstande, hvor et systems ergodicity (dvs. umuligheden af ​​at reducere det til mindre komponenter) bryder sammen.

"I højere dimensioner eller for interaktioner med længere rækkevidde er et system ikke længere integrerbart, hvilket betyder, at det ikke længere har specielle bevarede mængder, der forhindrer en tilstand i at termalisere," sagde Lee. "Men på trods af disse systemers ikke-integrerbarhed, viser vi strengt, at der eksisterer analoge fantomhelix-tilstande, som slet ikke termaliserer. Ikke-termaliserende tilstande i ikke-integrerbare mange-krop-systemer er eksempler på "kvante-mange-krop-ar" ,' som i øjeblikket er under intens undersøgelse af kvantesamfundet."

Mens mange andre hold af forskere har introduceret modeller, der er vært for kvante-mange-krops-ar, har disse modeller vist sig at være meget svære at realisere i eksperimentelle omgivelser. I modsætning hertil beskriver XXZ Heisenberg-modellen skabt af Lee og hendes kolleger et af de enkleste mangekropssystemer at realisere, som også kan understøtte ar.

"I betragtning af Heisenberg-modellens lange og ret berømte historie, er det forbløffende, at dette er blevet overset indtil videre og er meget lovende for fremtidige undersøgelser af kvante-mange-krops dynamik," sagde Lee. "Vi bruger nu fantomhelixtilstandene som et følsomt værktøj til at måle spindynamik i stærkt interagerende regioner, som der ikke findes strenge teoretiske behandlinger for. Dette har allerede afsløret for os endnu mere fundamentale overraskelser om partiklernes opførsel i optiske gitter og vi planlægger at indsende resultaterne af denne undersøgelse til offentliggørelse i de kommende uger."

Holdets eksperimentelle observation af disse langlivede fantomhelix-tilstande kan snart bane vejen for adskillige opfølgende undersøgelser af andre fysikere verden over. Derudover kan det føre til udvikling af alternative og mere effektive kvantesimuleringsteknikker.

"I fremtiden, takket være deres lange levetider og robusthed mod kvanteudsving, kan fantomhelix-tilstande også bruges til at initialisere langlivede mange-kropstilstande, som ellers er svære at forberede," tilføjede Lee. "Derudover kan vi skabe kvante ar på mange krop ved at generalisere vores system til to eller endda tre dimensioner." + Udforsk yderligere

Magnetiske centrifugeringer, der 'fryser' ved opvarmning

© 2022 Science X Network