Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, Harvard University en Stanford University hebben onlangs het bestaan ​​van unieke spiraalvormige spintoestanden in Heisenberg-kwantummagneten onthuld. Hun observaties, gepubliceerd in een artikel in Nature Physics , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de simulatie van spin-gerelateerde fysieke processen en dynamica in quantum veellichamensystemen.

"Toen we aan dit project begonnen, was ons primaire doel om de dynamiek van kwantummagnetisme te onderzoeken," vertelde Eunice (Yoo Kyung) Lee en Wen Wei Ho, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, aan Phys.org. "Kwantummagnetisme ligt ten grondslag aan veel van de technologieën die we tegenwoordig gebruiken, waaronder geheugenopslagapparaten, en is dus van fundamenteel belang."

Om kwantummagnetisme te modelleren, kan men elk elementair deeltje afbeelden alsof het een spin draagt ​​(bijvoorbeeld als een tol), die in verschillende richtingen kan wijzen. In deze context kunnen twee nabijgelegen spins hun relatieve oriëntaties uitwisselen via een tussentoestand met beide deeltjes op dezelfde plaats.

"Dit idee wordt vastgelegd door een eenvoudig leerboekmodel genaamd het Heisenberg-spinmodel, dat we in één dimensie (d.w.z. een ketting) in ons experimentele platform kunnen realiseren met behulp van ultrakoude atomen", legt Lee uit. "Als we een eenvoudig patroon van spins voorbereiden, laten we zeggen dat alle spins uitgelijnd zijn, dan raakt het patroon na verloop van tijd in de war:er zal een willekeurig mengsel van spins zijn die in alle verschillende richtingen wijzen. Dit proces, bekend als thermalisatie, is wat uiteindelijk vernietigt informatie."

Een recent onderzoek door een team van theoretische natuurkundigen aan de Universiteit van Wuppertal en de Universiteit van Ljubljana suggereerde het bestaan ​​van een eenvoudig patroon van spins dat helemaal niet evolueert en dus minder wordt beïnvloed door thermalisatie. Deze spins, spiraalsgewijs langs de ketting in het x-y-vlak en met een bepaalde toonhoogte, staan ​​bekend als 'fantoomhelixtoestanden'. In tegenstelling tot andere toestanden zouden spookhelixtoestanden in theorie in staat moeten zijn om informatie voor een zeer lange tijd op te slaan.

"Het Heisenberg-model is bijna honderd jaar oud, dus we waren vooral enthousiast over deze verrassende nieuwe 'fantoomhelixtoestanden' en gingen op pad om ze te observeren," zei Lee. "Om dit te doen, moesten we een spin-helixtoestand voorbereiden met een bepaalde golflengte, en dan kijken hoe het contrast van de helix (d.w.z. de amplitude van ons sinusoïdale spinpatroon) in de loop van de tijd afnam. Als de fantoomhelixtoestand bestond, zouden we zou een minimum in de vervalsnelheid van het contrast zien. We hebben dit minimum inderdaad waargenomen en vertelden ons dat we de langlevende fantoomhelixtoestanden hadden gevonden waarnaar we op zoek waren!"

Het recente artikel van Lee en haar collega's bouwt ook voort op hun eerdere studies, met name wat betreft de strategieën die ze gebruikten om te karakteriseren hoe het contrast van het systeem in de loop van de tijd zou afnemen. Om te bevestigen dat de vervalsnelheden die ze waarnamen overeenkwamen met theoretische voorspellingen, gebruikten ze ook berekeningen die werden uitgevoerd door Wen Wei Ho, een van hun medewerkers, in een eerder artikel.

Het doel van hun nieuwe studie was om de "fantoom" helixtoestanden (d.w.z. toestanden die nul-energie maar een eindig momentum bijdragen) te observeren, voorspeld door theoretici van de Universiteit van Wuppertal in een experimentele setting. Om dit te doen, laadden Lee en haar collega's ultrakoude lithiumatomen in een 3D optisch rooster, dat werd gemaakt met behulp van drie staande golven van intense laserstralen.

"We hebben onze spin-helix geïnitialiseerd door onze magneten naar het transversale vlak te draaien en vervolgens de spins op te winden totdat ze een transversale helix creëren, dit creëert ons sinusoïdale spinpatroon," zei Lee. "Door het verval van het spinpatroon voor verschillende golflengten te bekijken, extraheren we de karakteristieke levensduur van deze toestanden. De wikkelhoek (of de golfvector) van de helix met de minimale vervalsnelheid is de langlevende fantoomhelixtoestand."

Naast het observeren van de theoretisch voorspelde fantoomhelixtoestanden, konden Lee en haar collega's een manier identificeren om de interactie-anisotropie in hun model te meten. Dit is in wezen de kracht van interacties tussen transversale en longitudinale richtingen, wat zich vertaalt in specifieke spindynamiek.

"Het Heisenberg-model dat we hebben gebruikt, heeft verschillende interactiesterkten tussen de xy (dwars) en z (longitudinale) richtingen," zei Lee. "We kunnen deze interactie-anisotropie, Δ, veranderen door ons magnetisch veld af te stemmen en de verstrooiingslengtes tussen onze deeltjes te veranderen. Dit is de enige belangrijke parameter in onze Hamiltoniaan en regelt dus alle spindynamiek in dit eenvoudige maar rijke systeem."

In het verleden konden natuurkundigen de interactie-anisotropie alleen schatten met theoretische modellen. De bevindingen van dit team van onderzoekers laten echter zien dat fantoomhelixtoestanden kunnen worden gebruikt om deze parameter direct te meten, wat vooral belangrijk is voor het uitvoeren van kwantumsimulaties. In de toekomst kunnen de resultaten van Lee en haar collega's dus van onschatbare waarde blijken te zijn voor het vergroten van de betrouwbaarheid en getrouwheid van verschillende kwantumsimulaties.

"We vonden ook belangrijke bijdragen aan de spindynamiek van termen van hogere orde", zei Lee. "Theorie voorspelt de anisotropie redelijk goed wanneer de interacties tussen twee deeltjes klein zijn; dit is het regime waarin kwantummagnetisme typisch wordt bestudeerd omdat het model kapot gaat wanneer de interacties groot zijn. We ontdekten echter dat het spinmodel nog steeds een geldige beschrijving is bij grote interactiesterkten, hoewel de theorie voor de berekende anisotropie volledig instort."

In wezen suggereren de bevindingen van Lee en haar collega's dat theoretische modellen die spindynamiek beschrijven onvolledig zijn, omdat ze niet altijd betrouwbare anisotropieschattingen produceren. In hun toekomstige werken zijn ze dus van plan om de beperkingen van bestaande modellen dieper te onderzoeken, terwijl ze ook het mechanisme achter fantoomhelixtoestanden diepgaander schetsen.

Ten slotte wijst het recente werk van dit team van onderzoekers ook op een mogelijk verband tussen fantoomhelixtoestanden en kwantum veel-lichaamslittekens. Quantum veellichaamslittekens zijn een unieke reeks toestanden waarin de ergodiciteit van een systeem (d.w.z. de onmogelijkheid om het in kleinere componenten te reduceren) afbreekt.

"In hogere dimensies of voor interacties over een groter bereik is een systeem niet langer integreerbaar, wat betekent dat het niet langer speciale geconserveerde hoeveelheden heeft die voorkomen dat een toestand thermaliseert," zei Lee. "Ondanks de niet-integreerbaarheid van deze systemen, laten we echter rigoureus zien dat er analoge fantoomhelixtoestanden bestaan ​​die helemaal niet thermaliseren. Niet-thermaliserende toestanden in niet-integreerbare, veellichamensystemen zijn voorbeelden van 'quantum veellichamenlittekens ,' die momenteel intensief worden onderzocht door de kwantumgemeenschap."

Hoewel veel andere teams van onderzoekers modellen hebben geïntroduceerd die kwantum-littekens van veel lichamen bevatten, is gebleken dat deze modellen erg moeilijk te realiseren zijn in een experimentele omgeving. Het XXZ Heisenberg-model, gemaakt door Lee en haar collega's, beschrijft daarentegen een van de eenvoudigste systemen met meerdere lichamen om te realiseren, die ook littekens kunnen ondersteunen.

"Gezien de lange en nogal beroemde geschiedenis van het Heisenberg-model, is het verbazingwekkend dat dit tot nu toe over het hoofd is gezien en veelbelovend is voor toekomstige studies van kwantum-veellichaamsdynamica," zei Lee. "We gebruiken nu de fantoomhelixtoestanden als een gevoelig instrument om spindynamiek te meten in sterk op elkaar inwerkende regio's, waarvoor geen rigoureuze theoretische behandelingen bestaan. Dit heeft ons al nog meer fundamentele verrassingen onthuld over het gedrag van deeltjes in optische roosters en we zijn van plan de resultaten van dit onderzoek in de komende weken voor publicatie in te dienen."

De experimentele observatie door het team van deze langlevende spookhelixtoestanden zou binnenkort de weg kunnen effenen voor tal van vervolgonderzoeken door andere natuurkundigen over de hele wereld. Bovendien zou het kunnen leiden tot de ontwikkeling van alternatieve en effectievere kwantumsimulatietechnieken.

"In de toekomst zouden, dankzij hun lange levensduur en robuustheid tegen kwantumfluctuaties, fantoomhelixtoestanden ook kunnen worden gebruikt om langlevende toestanden met veel lichamen te initialiseren die anders moeilijk te bereiden zijn," voegde Lee eraan toe. "Bovendien kunnen we kwantum-veel-lichaamslittekens creëren door ons systeem te generaliseren naar twee of zelfs drie dimensies." + Verder verkennen

Magnetische spins die 'bevriezen' bij verhitting

© 2022 Science X Network