Rydberg-molekyler är jättemolekyler som består av tiotals eller hundratals atomer bundna till en Rydberg-atom. Dessa molekyler har en permanent dipol (dvs. ett par motsatt laddade eller magnetiserade poler), eftersom en av deras atomer är i ett mycket exciterat tillstånd.

Fysiker har under flera år studerat Rydbergs molekyler både teoretiskt och experimentellt. De flesta studier som undersöker dessa molekyler, dock, har bara fokuserat på situationer som inte involverar quantum spins, eftersom Rydberg-molekylernas många kroppar gör det särskilt utmanande att analysera deras spindynamik.

I en nyligen genomförd teoretisk studie, forskare vid University of Tokyo, kinesiska vetenskapsakademin, Max Planck Institute och Harvard University kunde fånga samspelet mellan Rydberg-elektronspindynamiken och atomernas omloppsrörelse med en ny metod som kombinerar en föroreningsavkopplande transformation med en Gaussisk ansatz. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev och Fysisk granskning A , introducera en ny teoretisk modell som även skulle kunna tillämpas på andra kvantmångkroppsproblem.

"Analysen av spindynamik i Rydbergs molekyler har förblivit ett utmanande problem på grund av deras inneboende natur i många kroppar, "Yuto Ashida, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Huvudsyftet med vår forskning var att ta itu med denna fråga, främja vår förståelse av spinndynamik utanför jämvikt i spinnfulla Rydberg-gaser. "

Den största utmaningen i att undersöka spinndynamik som inte är i jämvikt i snurrande Rydberg-gaser är att fysiker måste ta hänsyn till atomernas omloppsrörelser och förorenings-miljö intrassling som förmedlas via ultralångdistanskopplingen samtidigt. Detta har hittills gjort det mycket svårt att fånga spindynamiken hos Rydberg-molekyler.

"Som vi förstår det, det finns inget teoretiskt tillvägagångssätt som kan tillämpas på denna nya typ av kvantproblem med många kroppar, ", förklarade Ashida. "Detta är anledningen till att vi utvecklade en ny variationsmetod för att lösa en generisk typ av bosoniska kvantorenhetsproblem."

Det nya teoretiska tillvägagångssättet som introducerats av Ashida och hans kollegor är baserat på en idé som kallas "disentangling canonical transformation, "som introducerades av samma forskargrupp i en tidigare artikel, publiceras också i PRL . Den lösryckande kanoniska transformationen använder paritetssymmetri för att helt frikoppla förorenings- och miljögraden av frihet, vilket i slutändan gör det möjligt för forskarna att övervinna de problem som är förknippade med att fånga spindynamiken i Rydbergsgaser på ett mycket effektivt sätt.

Den variationsmetod som Ashida och hans kollegor använde för att fånga samspelet mellan Rydberg-elektronens spinndynamik och atomernas omloppsrörelse i Rydbergs molekyler kombinerar den lösryckande kanoniska transformationen med en Gaussisk ansatz för partikelbadet. Denna metod gjorde det möjligt för forskarna att avslöja flera funktioner som inte finns i traditionella föroreningsproblem.

En av dessa egenskaper är den interaktionsinducerade renormaliseringen av absorptionsspektrumet, som undviker enkla förklaringar från molekylärt bundna tillstånd. Med sin variationsmetod, forskarna kunde också observera långvariga svängningar av Rydberg-elektronspinnet.

"Det mest intressanta resultatet av vår studie var att spin-precessionsdynamiken har en oväntat lång livslängd trots den icke-integrerbara naturen hos det nuvarande interagerande mångakroppsproblemet, ", sa Ashida. "Vi tolkar denna egenskap som en rest av integrerbarheten av det så kallade centrala spinnproblemet, som kan erhållas om vi tar gränsen för oändlig massa i vår modell."

Observationen att spin-precessionsdynamik i Rydbergs molekyler har en förvånansvärt lång varaktighet kan få konsekvenser för flera delområden av fysiken, inklusive atomär, molekylär och optisk (AMO) fysik. Faktiskt, närvaron av avslappning och termalisering i komplexa mångakroppssystem är fortfarande ett aktivt forskningsområde inom både AMO-fysik och statistisk fysik.

I framtiden, den variationsmodell som forskarna utvecklat och de analyser de genomfört kan också tillämpas på andra system inom atomfysik och kvantkemi. Detta gäller särskilt för system där en elektronexcitation av ett högt orbitalt kvantantal interagerar med ett snurrande kvantbad.

"I våra nästa studier, vi skulle vilja utöka vår modell ytterligare till att inkludera icke-noll vinkelmoment för Rydberg-elektronen, ", sa Ashida. "Andra öppna forskningsfrågor inkluderar generaliseringen av vårt problem till fermioniska bad, tillämpning av vår allmänna variationsstrategi på andra utmanande problem med kvantföroreningar. Vi hoppas att våra studier kommer att stimulera ytterligare forskning i dessa riktningar. "

© 2019 Science X Network