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超冷原子揭示了一种新型的量子磁行为

一项新的研究阐明了旋转原子之间令人惊讶的编排。在《自然》杂志上发表的一篇论文中,麻省理工学院和哈佛大学的研究人员揭示了量子,原子尺度上的磁力如何影响原子如何定向其自旋。

在超冷锂原子的实验中,研究人员观察到了原子自旋演化的不同方式。就像尖尖的芭蕾舞演员回到正立位置一样,旋转的原子以依赖于单个原子之间的磁力的方式返回到平衡方向。例如,原子可以以极快的“弹道”方式或较慢,更弥散的模式旋转成平衡。

研究人员发现,迄今为止还没有观察到的这些行为可以用Heisenberg模型进行数学描述,Heisenberg模型是一组通常用于预测磁行为的方程。他们的研究结果说明了磁性的基本性质,揭示了一种最简单的磁性材料的多种行为。

对磁性的这种更好的理解可以帮助工程师设计“自旋电子”设备,该设备使用量子粒子的自旋而不是电子流来传输,处理和存储信息。

“研究最简单的磁性材料之一,我们已经提高了对磁性的理解,”麻省理工学院约翰·D·阿瑟物理学教授,麻省理工学院团队的负责人沃尔夫冈·凯特尔说。“当您在物理学中最简单的磁学模型中发现新现象时,就有机会充分描述和理解它。这就是让我早上起床,并使我兴奋的原因。”

Ketterle的合著者是MIT的研究生和主要作者Paul Niklas Jepsen,以及Jesse-Amato Grill,Ivana Dimitrova,麻省理工学院的博士后,哈佛大学和斯坦福大学的博士后Wen Wei Ho以及物理学教授Eugene Demler在哈佛。所有人都是麻省理工学院哈佛超冷原子中心的研究人员。麻省理工学院的团队隶属于研究所的物理系和电子研究实验室。

旋转弦

量子自旋被认为是磁性的微观单位。在量子尺度上,原子可以顺时针或逆时针旋转,这使它们像罗盘针一样定向。在磁性材料中,许多原子的自旋会表现出多种现象,包括平衡态(其中原子自旋对齐)和动态行为(其中许多原子上的自旋类似波浪形图案)。

后一种模式是研究人员研究的。波形自旋模式的动力学对原子之间的磁力非常敏感。对于各向同性磁力来说,波浪形图案的消失要比对各向异性力快得多。(各向同性力并不取决于所有自旋如何在空间中定向)。

凯特尔(Ketterle)的小组旨在通过一个实验研究这种现象,他们首先使用成熟的激光冷却技术将锂原子降到约50纳开尔文,这比星际空间的温度低1000万倍。

在这样的超冷温度下,原子被冻结到接近静止状态,因此研究人员可以详细看到原本会被原子的热运动掩盖的任何磁效应。然后,研究人员使用激光系统捕获并排列了多个具有40个原子的字符串,就像字符串上的珠子一样。他们总共产生了约1,000个字符串的晶格,包含约40,000个原子。

杰普森解释说:“您可以将激光看作是镊子,它们抓住原子,如果它们变暖,它们就会逃脱。”

然后,他们施加无线电波的图案和脉冲磁场力到整个晶格,从而诱发每个原子沿着字符串倾斜其自旋成螺旋(或波状)图案。这些字符串的波形图案一起对应于“自旋”原子的周期性密度调制,该原子形成条纹图案,研究人员可以在探测器上成像。然后,他们观察到条纹图案如何随着原子的自旋接近平衡状态而消失。

凯特勒将实验与拔吉他弦进行了比较。如果研究人员要观察处于平衡状态的原子的自旋,这将不会告诉他们太多关于原子之间的磁力的作用,就像静止的吉他弦不会揭示其物理性质一样。通过拔出琴弦,使琴弦失去平衡,并观察琴弦如何振动并最终返回其原始状态,您可以了解琴弦的物理特性的一些基本知识。

凯特勒说:“我们在这里所做的是,我们正在抽出一连串的自旋。我们采用这种螺旋模式,然后观察这种模式是如何随时间变化的。” “这使我们能够看到自旋之间不同磁力的影响。”

弹道和墨水

在他们的实验中,研究人员改变了他们施加的脉冲磁力的强度,以改变原子自旋图案中条纹的宽度。他们测量了图案消失的速度和速度。根据原子之间磁力的性质,他们观察到量子自旋如何返回平衡的惊人变化。

他们发现了弹道行为和自发扩散行为之间的过渡,在弹道行为中,自旋迅速弹回平衡状态,在自发扩散中,自旋更不规则地传播,整个条纹图案缓慢扩散回到平衡状态,就像墨滴缓慢溶解在水中一样。

从理论上已经预测了这种行为的一部分,但是直到现在仍未详细观察到。其他一些结果完全出乎意料。此外,研究人员发现他们的观察结果在数学上与他们使用海森堡模型计算出的实验参数相符。他们与哈佛大学的理论家合作,他们对自旋动力学进行了最新的计算。

Ho说:“有趣的是,有些属性易于测量,但难以计算,而其他属性可以计算,但无法测量。”

除了从根本上增进对磁性的理解外,该团队的研究结果还可以用于探索新材料的性质,作为一种量子模拟器。这样的平台可以像用于计算材料行为的专用量子计算机那样工作,其方式超出了当今最强大的计算机的功能。

“由于目前对量子信息科学有希望在将来解决实际问题的所有兴奋,今天看到这样的工作实际上正在取得成果真是太好了,”美国物理学会物理项目主任John Gillaspy说。国家科学基金会,该研究的资助人。

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