Rydberg-moleculen zijn gigantische moleculen die bestaan ​​uit tientallen of honderden atomen gebonden aan een Rydberg-atoom. Deze moleculen hebben een permanente dipool (d.w.z. een paar tegengesteld geladen of gemagnetiseerde polen), omdat een van hun atomen zich in een zeer aangeslagen toestand bevindt.

Natuurkundigen bestuderen al enkele jaren Rydberg-moleculen zowel theoretisch als experimenteel. De meeste studies die deze moleculen onderzoeken, echter, hebben zich alleen gericht op situaties waarin geen kwantumspins betrokken zijn, omdat de veel-lichamen-aard van Rydberg-moleculen het analyseren van hun spindynamiek bijzonder uitdagend maakt.

In een recent theoretisch onderzoek onderzoekers van de Universiteit van Tokio, de Chinese Academie van Wetenschappen, Max Planck Institute en Harvard University waren in staat om het samenspel van de Rydberg-elektron-spindynamica en de orbitale beweging van atomen vast te leggen met behulp van een nieuwe methode die een onzuiverheidsontkoppelingstransformatie combineert met een Gaussiaanse ansatz. hun papieren, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en Fysieke beoordeling A , introduceren van een nieuw theoretisch model dat ook kan worden toegepast op andere kwantum veeldeeltjesproblemen.

"De analyse van spindynamica in Rydberg-moleculen is een uitdagend probleem gebleven vanwege hun inherente veellichamenkarakter, "Yuto Ashida, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het belangrijkste doel van ons onderzoek was om dit probleem aan te pakken, het bevorderen van ons begrip van spindynamiek die niet in evenwicht is in spinachtige Rydberg-gassen."

De belangrijkste uitdaging bij het onderzoeken van spindynamiek in spinful Rydberg-gassen die niet in evenwicht is, is dat natuurkundigen rekening moeten houden met de orbitale beweging van atomen en de verstrengeling van onzuiverheid en omgeving die gelijktijdig via de ultralangeafstandskoppeling wordt gemedieerd. Dit heeft tot dusver het vastleggen van de spindynamiek van Rydberg-moleculen erg moeilijk gemaakt.

"Voor zover wij weten, er is geen theoretische benadering die van toepassing is op dit nieuwe type kwantum veeldeeltjesprobleem, " legde Ashida uit. "Dit is de reden waarom we een nieuwe variatiebenadering hebben ontwikkeld die toepasbaar is om een ​​generiek type bosonisch kwantumonzuiverheidsprobleem op te lossen."

De nieuwe theoretische benadering die door Ashida en zijn collega's is geïntroduceerd, is gebaseerd op een idee dat 'canonieke transformatie ontwarren, " die door hetzelfde onderzoeksteam in een eerder artikel werd geïntroduceerd, ook gepubliceerd in PRL . De ontwarrende canonieke transformatie maakt gebruik van de pariteitssymmetrie om de onzuiverheid en de vrijheidsgraden van de omgeving volledig te ontkoppelen, waardoor de onderzoekers uiteindelijk de problemen kunnen overwinnen die samenhangen met het vastleggen van de spindynamiek in Rydberg-gassen op een zeer efficiënte manier.

De variatiemethode die Ashida en zijn collega's gebruikten om het samenspel van de Rydberg-elektron-spindynamica en de orbitale beweging van atomen in Rydberg-moleculen vast te leggen, combineert de ontwarrende canonieke transformatie met een Gaussiaanse ansatz voor het bad van deeltjes. Met deze methode konden de onderzoekers verschillende functies onthullen die niet aanwezig zijn in traditionele onzuiverheidsproblemen.

Een van deze kenmerken is de interactie-geïnduceerde renormalisatie van het absorptiespectrum, die eenvoudige verklaringen van moleculaire gebonden toestanden ontgaat. Met behulp van hun variatiemethode, de onderzoekers waren ook in staat om langdurige oscillaties van de Rydberg-elektronenspin te observeren.

"De meest interessante bevinding van onze studie was dat de spin-precessiedynamiek een onverwacht lange levensduur heeft ondanks de niet-integreerbare aard van het huidige interagerende veellichamenprobleem, Ashida zei. "We interpreteren deze functie als een overblijfsel van de integreerbaarheid van het zogenaamde centrale spin-probleem, die kan worden verkregen als we de oneindige massalimiet in ons model nemen."

De waarneming dat spin-precessiedynamiek in Rydberg-moleculen een verrassend lange duur heeft, zou implicaties kunnen hebben voor verschillende deelgebieden van de natuurkunde, inclusief atomaire, moleculaire en optische (AMO) fysica. In feite, de aanwezigheid van relaxatie en thermalisatie in complexe veellichamensystemen is nog steeds een actief onderzoeksgebied in zowel de AMO-fysica als de statistische fysica.

In de toekomst, het door de onderzoekers ontwikkelde variatiemodel en de door hen uitgevoerde analyses kunnen ook worden toegepast op andere systemen in de atoomfysica en de kwantumchemie. Dit geldt met name voor systemen waarin een elektronenexcitatie van een hoog orbitaal kwantumgetal interageert met een spinachtig kwantumbad.

"In onze volgende studies, we willen ons model verder uitbreiden met een niet-nul impulsmoment van het Rydberg-elektron, Ashida zei. "Andere open onderzoeksvragen omvatten de veralgemening van ons probleem naar fermionische baden, toepassing van onze algemene variatiebenadering op andere uitdagende kwantumonzuiverheidsproblemen. We hopen dat onze studies verder onderzoek in deze richtingen zullen stimuleren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk