Een nieuwe studie belicht verrassende choreografieën tussen draaiende atomen. In een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Natuur , onderzoekers van MIT en Harvard University onthullen hoe magnetische krachten op het kwantum, atomaire schaal beïnvloeden hoe atomen hun spins oriënteren.

In experimenten met ultrakoude lithiumatomen, de onderzoekers observeerden verschillende manieren waarop de spins van de atomen evolueren. Als tippy ballerina's pirouettes terug naar rechtopstaande posities, de draaiende atomen keren terug naar een evenwichtsoriëntatie op een manier die afhangt van de magnetische krachten tussen individuele atomen. Bijvoorbeeld, de atomen kunnen in een extreem snelle, "ballistische" manier of in een langzamere, meer diffuus patroon.

De onderzoekers ontdekten dat dit gedrag, die tot nu toe niet was waargenomen, wiskundig kan worden beschreven door het Heisenberg-model, een reeks vergelijkingen die gewoonlijk worden gebruikt om magnetisch gedrag te voorspellen. Hun resultaten richten zich op de fundamentele aard van magnetisme, onthullen een diversiteit aan gedrag in een van de eenvoudigste magnetische materialen.

Dit verbeterde begrip van magnetisme kan ingenieurs helpen bij het ontwerpen van "spintronische" apparaten, die zenden, Verwerken, en informatie opslaan met behulp van de spin van kwantumdeeltjes in plaats van de stroom van elektronen.

"Bij het bestuderen van een van de eenvoudigste magnetische materialen, we hebben het begrip van magnetisme gevorderd, " zegt Wolfgang Ketterle, de John D. Arthur hoogleraar natuurkunde aan het MIT en de leider van het MIT-team. "Als je nieuwe verschijnselen vindt in een van de eenvoudigste modellen in de natuurkunde voor magnetisme, dan heb je een kans om het volledig te beschrijven en te begrijpen. Dit is waar ik 's ochtends mijn bed voor uitkom, en maakt me enthousiast."

Ketterle's co-auteurs zijn MIT-afgestudeerde student en hoofdauteur Paul Niklas Jepsen, samen met Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, beide MIT-postdocs, Wen Wei Ho, een postdoc aan Harvard University en Stanford University, en Eugène Demler, een professor in de natuurkunde aan Harvard. Allen zijn onderzoekers in het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. Het MIT-team is verbonden aan het Department of Physics and Research Laboratory of Electronics van het Instituut.

Snaren van spins

Quantumspin wordt beschouwd als de microscopische eenheid van magnetisme. Op de kwantumschaal, atomen kunnen met de klok mee of tegen de klok in draaien, die hen een oriëntatie geeft, als een kompasnaald. Bij magnetische materialen, de spin van veel atomen kan een verscheidenheid aan verschijnselen vertonen, inclusief evenwichtstoestanden, waar atoomspins zijn uitgelijnd, en dynamisch gedrag, waar de spins over veel atomen lijken op een golfachtig patroon.

Het is dit laatste patroon dat door de onderzoekers is bestudeerd. De dynamiek van het golfachtige spinpatroon is erg gevoelig voor de magnetische krachten tussen atomen. Het golvende patroon vervaagde veel sneller voor isotrope magnetische krachten dan voor anisotrope krachten. (Isotrope krachten zijn niet afhankelijk van hoe alle spins in de ruimte zijn georiënteerd).

De groep van Ketterle wilde dit fenomeen bestuderen met een experiment waarin ze eerst gevestigde laserkoelingstechnieken gebruikten om lithiumatomen terug te brengen tot ongeveer 50 nanokelvin - meer dan 10 miljoen keer kouder dan de interstellaire ruimte.

Bij zulke ultrakoude temperaturen, atomen zijn bijna tot stilstand bevroren, zodat onderzoekers in detail alle magnetische effecten kunnen zien die anders zouden worden gemaskeerd door de thermische beweging van de atomen. De onderzoekers gebruikten vervolgens een systeem van lasers om meerdere strings van elk 40 atomen te vangen en te rangschikken, als kralen aan een touwtje. In alles, ze genereerden een rooster van ongeveer 1, 000 snaren, bestaande uit ongeveer 40, 000 atomen.

"Je kunt de lasers zien als een pincet die de atomen vastpakt, en als ze warmer zijn, zouden ze ontsnappen, ’ legt Jepsen uit.

Vervolgens pasten ze een patroon van radiogolven en een gepulseerde magnetische kracht toe op het hele rooster, die elk atoom langs de snaar ertoe bracht zijn spin in een spiraalvormig (of golfachtig) patroon te kantelen. De golfachtige patronen van deze snaren samen corresponderen met een periodieke dichtheidsmodulatie van de "spin-up" atomen die een patroon van strepen vormen, die de onderzoekers op een detector konden afbeelden. Vervolgens keken ze hoe de streeppatronen verdwenen toen de individuele spins van de atomen hun evenwichtstoestand naderden.

Ketterle vergelijkt het experiment met het tokkelen van de snaar van een gitaar. Als de onderzoekers zouden kijken naar de spins van atomen in evenwicht, dit zou hen niet veel vertellen over de magnetische krachten tussen de atomen, net zoals een gitaarsnaar in rust niet veel zou onthullen over zijn fysieke eigenschappen. Door aan het touw te trekken, uit evenwicht brengen, en zien hoe het trilt en uiteindelijk terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, men kan iets fundamenteels leren over de fysieke eigenschappen van de snaar.

"Wat we hier doen is, we zijn een soort van plukken aan de reeks spins. We plaatsen dit helixpatroon, en dan observeren hoe dit patroon zich gedraagt ​​als een functie van de tijd, "zegt Ketterle. "Hierdoor kunnen we het effect van verschillende magnetische krachten tussen de spins zien."

Ballistiek en inkt

In hun experiment hebben de onderzoekers veranderden de sterkte van de gepulseerde magnetische kracht die ze uitoefenden, om de breedte van de strepen in de atomaire spinpatronen te variëren. Ze maten hoe snel, en op welke manieren, de patronen vervaagden. Afhankelijk van de aard van magnetische krachten tussen atomen, ze observeerden opvallend ander gedrag in hoe kwantumspins terugkeerden naar evenwicht.

Ze ontdekten een overgang tussen ballistisch gedrag, waar de spins snel terugschoten in een evenwichtstoestand, en diffuus gedrag, waar de spins zich grilliger voortplanten, en het algemene streeppatroon verspreidde zich langzaam terug naar evenwicht, als een inktdruppel die langzaam oplost in water.

Een deel van dit gedrag is theoretisch voorspeld, maar tot nu toe nooit in detail waargenomen. Sommige andere resultaten waren volledig onverwacht. Bovendien, de onderzoekers ontdekten dat hun waarnemingen wiskundig overeenkwamen met wat ze berekenden met het Heisenberg-model voor hun experimentele parameters. Ze werkten samen met theoretici van Harvard, die state-of-the-art berekeningen van de spin-dynamica heeft uitgevoerd.

"Het was interessant om te zien dat er eigenschappen waren die gemakkelijk te meten waren, maar moeilijk te berekenen, en andere eigenschappen kunnen worden berekend, maar niet gemeten "zegt Ho.

Naast het verbeteren van het begrip van magnetisme op een fundamenteel niveau, de resultaten van het team kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van nieuwe materialen te onderzoeken, als een soort kwantumsimulator. Zo'n platform zou kunnen werken als een speciale kwantumcomputer die het gedrag van materialen berekent, op een manier die de mogelijkheden van de krachtigste computers van vandaag overtreft.

"Met alle huidige opwinding over de belofte van kwantuminformatiewetenschap om praktische problemen in de toekomst op te lossen, het is geweldig om te zien dat dit soort werk vandaag werkelijkheid wordt, " zegt John Gillaspy, programmamedewerker bij de afdeling Natuurkunde van de National Science Foundation, een financier van het onderzoek.