Na hun recente baanbrekende experimenten om licht en materie in extreme mate te koppelen, Wetenschappers van Rice University besloten om alleen in materie naar een soortgelijk effect te zoeken. Ze hadden niet verwacht het zo snel te vinden.

Rijstfysicus Junichiro Kono, afgestudeerde student Xinwei Li en hun internationale collega's hebben het eerste voorbeeld van Dicke-coöperatie in een materie-materiesysteem ontdekt, een resultaat gerapporteerd in Wetenschap deze week.

De ontdekking zou kunnen bijdragen aan het begrip van spintronica en kwantummagnetisme, zei Kono. Aan de kant van de spintronica, hij zei dat het werk zal leiden tot snellere informatieverwerking met een lager stroomverbruik en zal bijdragen aan de ontwikkeling van op spin gebaseerde kwantumcomputers. De bevindingen van het team over kwantummagnetisme zullen leiden tot een dieper begrip van de fasen van materie die worden veroorzaakt door interacties tussen veel lichamen op atomaire schaal.

In plaats van licht te gebruiken om interacties in een kwantumput op gang te brengen, een systeem dat eerder dit jaar nieuw bewijs leverde van ultrasterke licht-materie koppeling, het Kono-lab in Rice gebruikte een magnetisch veld om samenwerking tussen de spins op te wekken in een kristallijne verbinding die voornamelijk uit ijzer en erbium bestaat.

"Dit is een opkomend onderwerp in de fysica van de gecondenseerde materie, " Zei Kono. "Er is een lange geschiedenis in de atoom- en moleculaire fysica van het zoeken naar het fenomeen van ultrasterke coöperatieve koppeling. In ons geval, we hadden al een manier gevonden om licht en gecondenseerde materie te laten interageren en hybridiseren, maar wat we hier rapporteren is exotischer."

Dicke coöperatie, genoemd naar natuurkundige Robert Dicke, gebeurt wanneer inkomende straling een verzameling atomaire dipolen doet koppelen, zoals tandwielen in een motor die elkaar niet echt raken. Het vroege werk van Dicke vormde de basis voor de uitvinding van lasers, de ontdekking van kosmische achtergrondstraling in het heelal en de ontwikkeling van lock-in-versterkers die worden gebruikt door wetenschappers en ingenieurs.

"Dicke was een ongewoon productieve natuurkundige, " Zei Kono. "Hij had veel high-impact papers en prestaties op bijna alle gebieden van de natuurkunde. Het specifieke Dicke-fenomeen dat relevant is voor ons werk heeft te maken met superstraling, die hij in 1954 introduceerde. Het idee is dat als je een verzameling atomen hebt, of draait, ze kunnen samenwerken in interactie tussen licht en materie om spontane emissie coherent te maken. Dit was een heel vreemd idee.

"Als je veel atomen stimuleert binnen een klein volume, een atoom produceert een foton dat onmiddellijk interageert met een ander atoom in de aangeslagen toestand, "Zei Kono. "Dat atoom produceert nog een foton. Nu heb je een coherente superpositie van twee fotonen.

"Dit gebeurt tussen elk paar atomen in het volume en produceert macroscopische polarisatie die uiteindelijk leidt tot een uitbarsting van coherent licht, superradiantie genaamd, " zei hij. Door licht uit de vergelijking te halen, moest het Kono-lab een andere manier vinden om de dipolen van het materiaal te prikkelen, de kompasachtige magnetische kracht die inherent is aan elk atoom, en vraag ze om uit te lijnen. Omdat het lab uniek is toegerust voor dergelijke experimenten, toen het testmateriaal verscheen, Kono en Li waren er klaar voor.

"Het monster werd geleverd door mijn collega (en co-auteur) Shixun Cao van de Universiteit van Shanghai, " Zei Kono. Karakteriseringstests met een klein of geen magnetisch veld uitgevoerd door een andere co-auteur, Dmitry Turchinovich van de Universiteit van Duisburg-Essen, kreeg weinig respons.

"Maar Dmitry is een goede vriend, en hij weet dat we een speciale experimentele opstelling hebben die terahertz-spectroscopie combineert, lage temperaturen en een hoog magnetisch veld, "Zei Kono. "Hij was benieuwd wat er zou gebeuren als we de metingen zouden doen."

"Omdat we enige ervaring op dit gebied hebben, we hebben onze eerste gegevens, identificeerde er enkele interessante details in en dacht dat er iets meer was dat we diepgaand konden onderzoeken, " voegde Li eraan toe. "Maar we hebben dit zeker niet voorspeld, ' zei Kono.

Li zei dat om coöperatie te tonen, de magnetische componenten van de verbinding moesten de twee essentiële ingrediënten nabootsen in een standaard licht-atoomkoppelingssysteem waar Dicke-coöperativiteit oorspronkelijk werd voorgesteld:een soort spins die kunnen worden geëxciteerd tot een golfachtig object dat de lichtgolf simuleert, en een andere met kwantumenergieniveaus die zouden verschuiven met het aangelegde magnetische veld en de atomen zouden simuleren.

"Binnen een enkele orthoferrietverbinding, aan de ene kant kunnen de ijzerionen worden getriggerd om een ​​spingolf te vormen met een bepaalde frequentie, " zei Li. "Aan de andere kant, we gebruikten de elektron paramagnetische resonantie van de erbium-ionen, die een kwantumstructuur op twee niveaus vormt die interageert met de spingolf."

Terwijl de krachtige magneet van het lab de energieniveaus van de erbiumionen afstemde, zoals gedetecteerd door de terahertz-spectroscoop, het vertoonde aanvankelijk geen sterke interacties met de ijzeren spingolf bij kamertemperatuur. Maar de interacties begonnen te verschijnen bij lagere temperaturen, gezien in een spectroscopische meting van de koppelingssterkte die bekend staat als vacuüm Rabi-splitsing.

Het chemisch dopen van het erbium met yttrium bracht het in overeenstemming met de waarneming en toonde Dicke-coöperatie in de magnetische interacties. "De manier waarop de koppelingssterkte toenam, komt op een uitstekende manier overeen met de vroege voorspellingen van Dicke, " zei Li. "Maar hier, licht is uit beeld en de koppeling is materie-materie van aard."

"De interactie waar we het over hebben is echt atomistisch, " Zei Kono. "We laten twee soorten spin zien die op elkaar inwerken in een enkel materiaal. Dat is een kwantummechanische interactie, in plaats van de klassieke mechanica die we zien bij licht-materie koppeling. Dit opent nieuwe mogelijkheden om niet alleen nieuwe fasen van gecondenseerde materie te begrijpen, maar ook te beheersen en te voorspellen."