En ny studie belyser överraskande koreografi bland snurrande atomer. I en tidning som förekommer i tidskriften Natur , forskare från MIT och Harvard University avslöjar hur magnetiska krafter vid kvanten, atomskala påverkar hur atomer orienterar sina spinn.

I experiment med ultrakalla litiumatomer, forskarna observerade olika sätt på vilka atomernas spinn utvecklas. Som tippiga ballerinor som piruetterar tillbaka till upprättstående positioner, de snurrande atomerna återgår till en jämviktsorientering på ett sätt som beror på de magnetiska krafterna mellan enskilda atomer. Till exempel, atomerna kan snurra till jämvikt på en extremt snabb "ballistiskt" sätt eller på ett långsammare sätt, mer diffust mönster.

Forskarna fann att dessa beteenden, som inte har observerats förrän nu, kan beskrivas matematiskt av Heisenberg -modellen, en uppsättning ekvationer som vanligtvis används för att förutsäga magnetiskt beteende. Deras resultat tar upp magnetismens grundläggande natur, avslöjar en mångfald av beteende i ett av de enklaste magnetiska materialen.

Denna förbättrade förståelse av magnetism kan hjälpa ingenjörer att designa "spintroniska" enheter, som sänder, bearbeta, och lagra information med hjälp av kvantpartiklarnas spin snarare än flödet av elektroner.

"Att studera ett av de enklaste magnetiska materialen, vi har utvecklat förståelsen av magnetism, säger Wolfgang Ketterle, John D. Arthur professor i fysik vid MIT och ledaren för MIT-teamet. "När du hittar nya fenomen i en av fysikens enklaste modeller för magnetism, då har du en chans att fullständigt beskriva och förstå det. Det är det som får mig att gå upp ur sängen på morgonen, och gör mig upphetsad."

Ketterles medförfattare är MIT-doktorand och huvudförfattare Paul Niklas Jepsen, tillsammans med Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, båda MIT postdoktorer, Wen Wei Ho, en postdoc vid Harvard University och Stanford University, och Eugene Demler, professor i fysik vid Harvard. Alla är forskare vid MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. MIT-teamet är knutet till institutets institution för fysik och forskningslaboratorium för elektronik.

Strängar av snurr

Kvantspinn anses vara magnetismens mikroskopiska enhet. På kvantskalan, atomer kan snurra med eller moturs, som ger dem en orientering, som en kompassnål. I magnetiska material, spinn av många atomer kan visa en mängd olika fenomen, inklusive jämviktstillstånd, där atomsnurr är inriktade, och dynamiskt beteende, där spinnen över många atomer liknar ett vågliknande mönster.

Det är det senare mönstret som studerades av forskarna. Dynamiken i det vågliknande spinnmönstret är mycket känsligt för de magnetiska krafterna mellan atomer. Det vågiga mönstret bleknade mycket snabbare för isotropa magnetiska krafter än för anisotropa krafter. (Isotropiska krafter beror inte på hur alla snurr är orienterade i rymden).

Ketterles grupp syftade till att studera detta fenomen med ett experiment där de först använde etablerade laserkylningstekniker för att sänka litiumatomer till cirka 50 nanokelvin-mer än 10 miljoner gånger kallare än interstellärt utrymme.

Vid sådana ultrakalla temperaturer, atomer är frusna till nästan stillastående, så att forskarna i detalj kan se eventuella magnetiska effekter som annars skulle maskeras av atomernas termiska rörelse. Forskarna använde sedan ett system av lasrar för att fånga och ordna flera strängar med 40 atomer vardera, som pärlor på ett snöre. I alla, de genererade ett gitter på cirka 1, 000 strängar, omfattar cirka 40, 000 atomer.

"Du kan tänka på lasrarna som en pincett som tar tag i atomerna, och om de är varmare skulle de fly, " förklarar Jepsen.

De applicerade sedan ett mönster av radiovågor och en pulsad magnetisk kraft på hela gittret, vilket inducerade varje atom längs strängen att luta dess spinn till ett spiralformigt (eller våglikt) mönster. De vågliknande mönstren för dessa strängar tillsammans motsvarar en periodisk densitetsmodulering av "spin up"-atomerna som bildar ett mönster av ränder, som forskarna kunde avbilda på en detektor. De såg sedan hur randmönstren försvann när atomernas individuella spinn närmade sig sitt jämviktstillstånd.

Ketterle jämför experimentet med att plocka strängen på en gitarr. Om forskarna skulle titta på atomernas spinn i jämvikt, detta skulle inte berätta mycket om de magnetiska krafterna mellan atomerna, precis som en gitarrsträng i vila inte skulle avslöja mycket om dess fysiska egenskaper. Genom att plocka i snöret, föra det ur jämvikt, och se hur det vibrerar och så småningom återgår till sitt ursprungliga tillstånd, man kan lära sig något grundläggande om strängens fysiska egenskaper.

"Det vi gör här är, vi plockar typ strängen av snurr. Vi lägger in detta helixmönster, och sedan observera hur detta mönster beter sig som en funktion av tid, ", säger Ketterle. "Detta gör att vi kan se effekten av olika magnetiska krafter mellan snurren."

Ballistik och bläck

I deras experiment, forskarna ändrade styrkan på den pulserade magnetiska kraften de applicerade, att variera bredden på ränderna i atomspinnmönstren. De mätte hur snabbt, och på vilka sätt, mönstren bleknade. Beroende på arten av magnetiska krafter mellan atomer, de observerade slående olika beteende i hur kvantspinn återgick till jämvikt.

De upptäckte en övergång mellan ballistiskt beteende, där snurrarna snabbt gick tillbaka till ett jämviktstillstånd, och diffust beteende, där snurren fortplantar sig mer oregelbundet, och det övergripande randmönstret spred sig långsamt tillbaka till jämvikt, som en bläckdroppe som sakta löses upp i vatten.

En del av detta beteende har teoretiskt förutsetts, men har aldrig observerats i detalj förrän nu. Några andra resultat var helt oväntade. Vad mer, forskarna fann att deras observationer stämde matematiskt med vad de beräknade med Heisenberg-modellen för deras experimentella parametrar. De slog sig ihop med teoretiker vid Harvard, som utförde toppmoderna beräkningar av spindynamiken.

"Det var intressant att se att det fanns fastigheter som var lätta att mäta, men svårt att räkna ut, och andra egenskaper kan beräknas, men inte mätt, " säger Ho.

Förutom att främja förståelsen av magnetism på en grundläggande nivå, teamets resultat kan användas för att utforska egenskaperna hos nya material, som en sorts kvantsimulator. En sådan plattform skulle kunna fungera som en speciell kvantdator som beräknar beteendet hos material, på ett sätt som överstiger kapaciteten hos dagens mest kraftfulla datorer.

"Med all den nuvarande spänningen över löftet om kvantinformationsvetenskap att lösa praktiska problem i framtiden, det är fantastiskt att se att det här arbetet verkligen kommer att bli verklighet idag, " säger John Gillaspy, programansvarig vid avdelningen för fysik vid National Science Foundation, en finansiär av forskningen.