Efter deras senaste banbrytande experiment för att koppla ihop ljus och materia i extrem grad, Forskare från Rice University bestämde sig för att leta efter en liknande effekt i materia ensam. De förväntade sig inte att hitta den så snart.

Risfysiker Junichiro Kono, doktoranden Xinwei Li och deras internationella kollegor har upptäckt det första exemplet på Dicke-kooperativitet i ett materia-system, ett resultat rapporterat i Vetenskap Denna vecka.

Upptäckten kan hjälpa till att främja förståelsen av spintronik och kvantmagnetism, Sa Kono. På spintronics -sidan, han sa att arbetet kommer att leda till snabbare informationsbehandling med lägre strömförbrukning och kommer att bidra till utvecklingen av spinnbaserad kvantberäkning. Teamets resultat om kvantmagnetism kommer att leda till en djupare förståelse av materiens faser som orsakas av många kroppsinteraktioner i atomskala.

Istället för att använda ljus för att utlösa interaktioner i en kvantbrunn, ett system som producerade nya bevis för ultrastark ljus-koppling tidigare i år, Kono -labbet i Rice använde ett magnetfält för att uppmuntra kooperativitet mellan snurrarna i en kristallin förening som huvudsakligen består av järn och erbium.

"Detta är ett framväxande ämne inom kondensmaterialets fysik, "Kono sa." Det finns en lång historia inom atom- och molekylfysik om att leta efter fenomenet ultrastark kooperativ koppling. I vårat fall, vi hade redan hittat ett sätt att få ljus och kondenserad materia att interagera och hybridisera, men det vi rapporterar här är mer exotiskt. "

Dicke kooperativitet, uppkallad efter fysikern Robert Dicke, händer när inkommande strålning får en samling atomdipoler att kopplas ihop, som växlar i en motor som faktiskt inte rör. Dicks tidiga arbete satte scenen för uppfinningen av lasrar, upptäckten av kosmisk bakgrundsstrålning i universum och utvecklingen av lock-in förstärkare som används av forskare och ingenjörer.

"Dicke var en ovanligt produktiv fysiker, "Kono sa." Han hade många kraftfulla papper och prestationer inom nästan alla fysikområden. Det specifika Dicke -fenomen som är relevant för vårt arbete är relaterat till överstrålning, som han introducerade 1954. Tanken är att om du har en samling atomer, eller snurrar, de kan arbeta tillsammans i ljus-materia-interaktion för att göra spontana utsläpp sammanhängande. Det här var en väldigt konstig idé.

"När du stimulerar många atomer inom en liten volym, en atom producerar en foton som omedelbart interagerar med en annan atom i exciterat tillstånd, "Sade Kono." Den atomen producerar ytterligare en foton. Nu har du en sammanhängande överlagring av två fotoner.

"Detta händer mellan varje par atomer inom volymen och producerar makroskopisk polarisering som så småningom leder till en utbrott av sammanhängande ljus som kallas superstrålning, "sa han. Att ta ljus ur ekvationen innebar att Kono -labbet måste hitta ett annat sätt att excitera materialets dipoler, den kompassliknande magnetiska kraften som finns i varje atom, och uppmana dem att anpassa sig. Eftersom labbet är unikt utrustat för sådana experiment, när testmaterialet dök upp, Kono och Li var klara.

"Provet gavs av min kollega (och medförfattare) Shixun Cao vid Shanghai University, "Sade Kono. Karakteriseringstester med ett litet eller inget magnetfält utfört av en annan medförfattare, Dmitry Turchinovich vid universitetet i Duisburg-Essen, fick lite svar.

"Men Dmitry är en god vän, och han vet att vi har en speciell experimentell inställning som kombinerar terahertz -spektroskopi, låga temperaturer och högt magnetfält, "Sade Kono." Han var nyfiken på att veta vad som skulle hända om vi gjorde mätningarna. "

"Eftersom vi har viss erfarenhet inom detta område, vi fick våra initiala data, identifierade några intressanta detaljer i den och trodde att det var något mer vi kunde utforska på djupet, "Tillade Li." Men vi förutsåg verkligen inte detta, Sa Kono.

Li sa att för att visa kooperativitet, de magnetiska komponenterna i föreningen måste efterlikna de två väsentliga ingredienserna i ett standardljus-atomkopplingssystem där Dicke-kooperativitet ursprungligen föreslogs:en en snurrart som kan exciteras till ett vågliknande objekt som simulerar ljusvågen, och en annan med kvantenerginivåer som skulle skifta med det applicerade magnetfältet och simulera atomerna.

"Inom en enda ortoferritförening, på ena sidan kan järnjonerna triggas för att bilda en snurrvåg vid en viss frekvens, ”Sa Li.” På andra sidan, vi använde elektronparamagnetisk resonans av erbiumjonerna, som bildar en kvantstruktur på två nivåer som interagerar med spinnvågen. "

Medan laboratoriets kraftfulla magnet stämde energinivåerna för erbiumjonerna, som detekteras av terahertz -spektroskopet, det visade inte inledningsvis starka interaktioner med järnspinvåg vid rumstemperatur. Men interaktionerna började dyka upp vid lägre temperaturer, ses i en spektroskopisk mätning av kopplingsstyrka som kallas vakuum Rabi -klyvning.

Genom kemisk dopning av erbium med yttrium bringades det i linje med observationen och visade Dicke -kooperativitet i de magnetiska interaktionerna. "Hur kopplingsstyrkan ökade matchar på ett utmärkt sätt med Dickes tidiga förutsägelser, "Li sa." Men här, ljuset är ur bilden och kopplingen är materia-materiell i naturen. "

"Samspelet vi pratar om är verkligen atomistiskt, "Kono sa." Vi visar två typer av snurr som interagerar i ett enda material. Det är en kvantmekanisk interaktion, snarare än den klassiska mekaniken vi ser i kopplingen mellan lätt materia. Detta öppnar nya möjligheter för inte bara att förstå utan också att kontrollera och förutsäga nya faser av kondenserad materia. "