Kvantemagneter i bevægelse

Mikroskopiske kvantemagneters opførsel har længe været et emne, der undervises i i forelæsninger i teoretisk fysik. Det har dog været vanskeligt at undersøge dynamikken i systemer, der er langt ude af ligevægt, og se dem "live". Nu har forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching opnået netop dette ved hjælp af et kvantegasmikroskop. Med dette værktøj kan kvantesystemer manipuleres og derefter afbildes med så høj opløsning, at selv individuelle atomer er synlige. Resultaterne af eksperimenterne med lineære kæder af spins viser, at den måde, hvorpå deres orientering forplanter sig, svarer til den såkaldte Kardar-Parisi-Zhang superdiffusion. Dette bekræfter en formodning, der for nylig er opstået ud fra teoretiske overvejelser.

Et hold fysikere omkring Dr. Johannes Zeiher og Prof Immanuel Bloch har øjne på genstande, som andre næsten aldrig får set. Forskerne ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching bruger et såkaldt kvantegasmikroskop til at spore processer på kvantefysikkens lille skala. Et sådant instrument gør det muligt – ved hjælp af atomer og lasere – specifikt at skabe kvantesystemer med ønskede egenskaber og at undersøge dem med høj opløsning. I disse eksperimenter fokuserer forskerne også på transportfænomener – hvordan kvanteobjekter bevæger sig under visse ydre forhold.

Holdet har nu gjort en overraskende eksperimentel opdagelse. Forskerne var i stand til at vise, at den endimensionelle transport af spins – udtrykket "spin" står for en specifik, magnetisk kvanteegenskab ved atomer og andre partikler – ligner makroskopiske fænomener i visse områder. For det meste er processer i kvanteområdet og i hverdagens verden væsentligt forskellige. "Men vores arbejde afslører en interessant sammenhæng mellem kvantemekaniske spin-systemer i kolde atomer og klassiske systemer såsom vækst af bakteriekolonier eller spredning af skovbrande," siger Johannes Zeiher, gruppeleder i Quantum Many-Body Systems-divisionen hos MPQ. "Denne opdagelse er fuldstændig uventet og peger på en dyb forbindelse inden for ikke-ligevægtsfysik, som stadig er dårligt forstået."

Fysikere omtaler en sådan teoretisk analogi mellem tilfældig bevægelse i kvantesystemer og klassiske systemer som "universalitet". I dette specifikke tilfælde er det Kardar-Parisi-Zhang-universaliteten (KPZ) – et fænomen, der tidligere kun var kendt fra klassisk fysik.

Den sigende eksponent

For at observere fænomenet mikroskopisk kølede Garching-teamet først en sky af atomer ned til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. På den måde kunne bevægelser på grund af varme udelukkes. Derefter låste de de ultrakolde atomer i et specielt dannet "kasseformet" potentiale, dannet af et arrangement af bittesmå spejle. "Vi brugte dette til at studere afslapningen af ​​en enkelt magnetisk domænevæg i en kæde af 50 lineært arrangerede spins," forklarer David Wei, en forsker i Johannes Zeihers gruppe. Domænevæggen adskiller områder med identisk orientering af tilstødende spins fra hinanden. Forskerne skabte først domænevæggen til eksperimentet ved hjælp af et nyt trick, hvorved et "effektivt magnetfelt" blev genereret ved at projicere lys. Ved at gøre det kan forskerne kraftigt undertrykke koblingerne mellem spins og effektivt "låse" dem på plads.

Afslapningen i spin-kæden opstod, efter at koblingerne mellem spins blev tændt på en kontrolleret måde og, som det viste sig, fulgte et karakteristisk mønster. "Dette kan beskrives matematisk ved en magtlov med eksponenten 3/2," siger Wei – et hint om sammenhængen med KPZ-universalitet. Yderligere beviser for dette forhold blev givet, da forskerne opdagede bevægelsen af ​​individuelle spins, som blev afsløret gennem kvantegasmikroskopet.

"Denne høje præcision var grundlaget for en detaljeret statistisk evaluering," siger Zeiher. "Det slående forløb af spindiffusion, som vores eksperiment viste, svarer i sin matematiske form tilnærmelsesvis til spredningen af ​​en kaffeplet på for eksempel en dug," forklarer Max Planck-fysikeren. At der kunne eksistere en sådan forbløffende sammenhæng, havde et hold teoretikere for omkring to år siden mistænkt på baggrund af teoretiske overvejelser. Der manglede dog stadig en eksperimentel bekræftelse af denne hypotese.

En gammel model forbløffer fysikere

Til beskrivelsen af ​​kvantemekaniske spin-fænomener har fysikere brugt den såkaldte Heisenberg-model med stor succes i lang tid (men det var først for nylig, at spintransport-fænomener kunne beskrives teoretisk inden for denne model). "Vores resultater viser, at overraskende ny indsigt stadig er mulig selv inden for en etableret teoretisk ramme," understreger Johannes Zeiher. "Og de er bevis på, hvordan teori og eksperimenter krydsbefrugtes i fysik."

De resultater, der nu er opnået af teamet i Garching, er ikke kun af akademisk værdi. De kan også være nyttige til håndgribelige tekniske applikationer. For eksempel udgør spins også grundlaget for visse former for kvantecomputere. Kendskab til informationsbærernes transportegenskaber kan være af afgørende betydning for den praktiske realisering af sådanne nye computerarkitekturer.

Undersøgelsen vises i Science . + Udforsk yderligere

Computational sleuthing bekræfter den første 3D-kvantespinvæske