Новое исследование освещает удивительную хореографию среди вращающихся атомов. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета показывают, как магнитные силы в квантовом, атомном масштабе влияют на то, как атомы ориентируют свои спины.

В экспериментах с ультрахолодными атомами лития исследователи наблюдали различные способы эволюции спинов атомов. Подобно балеринам, совершающим пируэты в вертикальном положении, вращающиеся атомы возвращаются к равновесной ориентации, которая зависит от магнитных сил между отдельными атомами. Например, атомы могут вращаться в равновесии чрезвычайно быстро, "баллистически" или медленнее, более диффузно.

Исследователи обнаружили, что это поведение, которое до сих пор не наблюдалось, может быть математически описано моделью Гейзенберга, набором уравнений, обычно используемых для предсказания магнитного поведения. Их результаты затрагивают фундаментальную природу магнетизма, раскрывая разнообразие поведения одного из простейших магнитных материалов.

Это улучшенное понимание магнетизма может помочь инженерам разработать" спинтронные " устройства, которые передают, обрабатывают и хранят информацию, используя спин квантовых частиц, а не поток электронов.

"Изучая один из простейших магнитных материалов, мы продвинулись в понимании магнетизма", - говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики Джона Д. Артура в Массачусетском технологическом институте и руководитель команды MIT. "Когда вы находите новые явления в одной из простейших моделей в физике для магнетизма, тогда у вас есть шанс полностью описать и понять его. Это то, что поднимает меня с постели по утрам и возбуждает."

Соавторами Кеттерле являются аспирант Массачусетского технологического института и ведущий автор Пол Никлас Джепсен, а также Джесси-Амато гриль, Ивана Димитрова, оба постдока Массачусетского технологического института, Вэнь Вэй Хо, постдок Гарвардского и Стэнфордского университетов, и Юджин демлер, профессор физики в Гарварде. Все они-исследователи из центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда. Команда Массачусетского технологического института связана с отделом физики Института и научно-исследовательской лабораторией электроники.

Строки спинов

Квантовый спин считается микроскопической единицей магнетизма. В квантовом масштабе атомы могут вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки, что дает им ориентацию, как стрелка компаса. В магнитных материалах спин многих атомов может демонстрировать различные явления, включая равновесные состояния, когда спины атомов выровнены, и динамическое поведение, когда спины многих атомов напоминают волнообразную картину.

Именно эта последняя закономерность и была изучена исследователями. Динамика волнообразной спиновой картины очень чувствительна к магнитным силам между атомами. Волнистый рисунок исчезал гораздо быстрее для изотропных магнитных сил, чем для анизотропных. (Изотропные силы не зависят от того, как все спины ориентированы в пространстве).

Группа Кеттерле стремилась изучить это явление с помощью эксперимента, в котором они впервые использовали известные методы лазерного охлаждения, чтобы уменьшить атомы лития примерно до 50 нанокельвинов—более чем в 10 миллионов раз холоднее, чем межзвездное пространство.

При таких сверххолодных температурах атомы замерзают почти до полной неподвижности, так что исследователи могут детально рассмотреть любые магнитные эффекты, которые в противном случае были бы замаскированы тепловым движением атомов. Затем исследователи использовали систему лазеров, чтобы поймать и расположить несколько струн с 40 атомами каждая, как бусины на струне. В общей сложности они создали решетку из примерно 1000 струн, состоящую примерно из 40 000 атомов.

"Вы можете думать о лазерах как о пинцетах, которые захватывают атомы, и если они теплее, они улетучиваются", - объясняет Джепсен.

Затем они применили паттерн радиоволн и импульсную магнитную силу ко всей решетке, которая заставила каждый атом вдоль струны наклонить свой спин в спиральный (или волнообразный) паттерн. Волнообразные узоры этих струн вместе соответствуют периодической модуляции плотности атомов "спина вверх", которая образует узор полос, который исследователи могли бы изобразить на детекторе. Затем они наблюдали, как исчезают узоры полос, когда отдельные спины атомов приближаются к своему равновесному состоянию.

Кеттерле сравнивает этот эксперимент с перебором струны гитары. Если бы исследователи посмотрели на спины атомов в равновесии, это не сказало бы им много о магнитных силах между атомами, так же как гитарная струна в состоянии покоя не раскрыла бы много о своих физических свойствах. Выдергивая струну, выводя ее из равновесия и наблюдая, как она вибрирует и в конце концов возвращается в свое первоначальное состояние, можно узнать нечто фундаментальное о физических свойствах струны.

-Мы здесь делаем вот что: мы как бы дергаем за веревочку спинов. Мы вводим этот спиральный паттерн, а затем наблюдаем, как этот паттерн ведет себя как функция времени", - говорит Кеттерле. "Это позволяет нам увидеть влияние различных магнитных сил между спинами."

Баллистика и чернила

В своем эксперименте исследователи изменили силу импульсной магнитной силы, которую они применили, чтобы изменить ширину полос в атомных спиновых паттернах. Они измеряли, как быстро и каким образом исчезают узоры. В зависимости от природы магнитных сил между атомами они наблюдали поразительно различное поведение в том, как квантовые спины возвращаются к равновесию.

Они обнаружили переход между баллистическим поведением, когда спины быстро возвращаются в равновесное состояние, и диффузионным поведением, когда спины распространяются более хаотично, и общий узор полос медленно возвращается к равновесию, как чернильная капля, медленно растворяющаяся в воде.

Кое-что из этого поведения было теоретически предсказано, но никогда не наблюдалось в деталях до сих пор. Некоторые другие результаты оказались совершенно неожиданными. Более того, исследователи обнаружили, что их наблюдения математически согласуются с тем, что они рассчитали с помощью модели Гейзенберга для своих экспериментальных параметров. Они объединились с теоретиками из Гарварда, которые выполнили самые современные расчеты спиновой динамики.

"Было интересно увидеть, что существуют свойства, которые легко измерить, но трудно вычислить, и другие свойства могут быть вычислены, но не измерены", - говорит Хо.

В дополнение к продвижению понимания магнетизма на фундаментальном уровне, результаты команды могут быть использованы для изучения свойств новых материалов, как своего рода квантовый симулятор. Такая платформа могла бы работать как специальный квантовый компьютер, который вычисляет поведение материалов таким образом, который превосходит возможности современных самых мощных компьютеров .

"При всем нынешнем волнении по поводу обещания квантовой информатики решить практические проблемы в будущем, очень приятно видеть, что такая работа действительно приносит плоды сегодня", - говорит Джон Гилласпи, программный сотрудник отдела физики Национального научного фонда, финансирующего исследования.

ИСТОЧНИК