Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, Harvard University och Stanford University har nyligen avslöjat förekomsten av unika spiralformade spinntillstånd i Heisenbergs kvantmagneter. Deras observationer, publicerade i en artikel i Nature Physics , kan ha viktiga konsekvenser för simuleringen av spinnrelaterade fysiska processer och dynamik i kvantsystem med många kroppar.

"När vi startade det här projektet var vårt primära mål att undersöka dynamiken i kvantmagnetism", säger Eunice (Yoo Kyung) Lee och Wen Wei Ho, två av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Kvantmagnetism ligger till grund för många av de teknologier vi använder idag, inklusive minneslagringsenheter, och är därför av grundläggande intresse."

För att modellera kvantmagnetism kan man avbilda varje elementarpartikel som bärande ett spinn (t.ex. som en snurra), som kan peka i olika riktningar. I detta sammanhang kan två närliggande snurr byta sina relativa orienteringar via ett mellantillstånd med båda partiklarna på samma plats.

"Den här idén fångas av en enkel läroboksmodell som kallas Heisenberg-spinmodellen, som vi kan realisera i en dimension (dvs en kedja) i vår experimentella plattform med hjälp av ultrakalla atomer," förklarade Lee. "Allmänt sett, om vi förbereder ett enkelt mönster av snurr, säg att alla snurrar är i linje, så blir mönstret med tiden rörigt:det kommer att finnas en slumpmässig blandning av snurr som pekar i alla olika riktningar. Denna process, känd som termalisering, är vad som till slut förstör information."

En nyligen genomförd studie av ett team av teoretiska fysiker vid University of Wuppertal och University of Ljubljana antydde förekomsten av ett enkelt mönster av snurr som inte utvecklas alls och som därför påverkas mindre av termalisering. Dessa spinn, som spiralerar längs kedjan i x-y-planet och med en viss stigning, är kända som "fantomhelixtillstånd". Till skillnad från andra tillstånd borde fantomhelixtillstånd teoretiskt sett kunna lagra information under mycket långa tidsperioder.

"Heisenberg-modellen är nästan hundra år gammal, så vi var särskilt glada över dessa överraskande nya 'fantomhelixtillstånd' och gav oss i kast med att observera dem," sa Lee. "För att göra det var vi tvungna att förbereda ett spin-helix-tillstånd med en viss våglängd, och sedan titta på hur kontrasten av helixen (d.v.s. amplituden för vårt sinusformade spinnmönster) avklingade över tiden. Om fantomhelix-tillståndet existerade, vi skulle se ett minimum i sönderfallshastigheten för kontrasten. Vi observerade verkligen detta minimum och berättade för oss att vi hittade de långlivade fantomhelixtillstånden som vi letade efter!"

Den senaste artikeln av Lee och hennes kollegor bygger också på deras tidigare studier, särskilt när det gäller de strategier de använde för att karakterisera hur kontrasten i systemet skulle förfalla över tiden. För att bekräfta att sönderfallshastigheterna de observerade överensstämde med teoretiska förutsägelser, använde de också beräkningar utförda av Wen Wei Ho, en av deras medarbetare, i en tidigare artikel.

Målet med deras nya studie var att observera "fantom"-helixtillstånden (dvs tillstånd som bidrar med noll energi men ändligt momentum) som förutspåtts av teoretiker vid University of Wuppertal i en experimentell miljö. För att göra detta laddade Lee och hennes kollegor ultrakalla litiumatomer i ett optiskt 3D-gitter, som skapades med hjälp av tre stående vågor av intensiva laserstrålar.

"Vi initierade vår spinnhelix genom att rotera våra magneter till det tvärgående planet och sedan linda spinnen tills de skapar en tvärgående helix; detta skapar vårt sinusformade spinnmönster," sa Lee. "Genom att titta på sönderfallet av spinnmönstret för olika våglängder, extraherar vi de karakteristiska livslängderna för dessa tillstånd. Lindningsvinkeln (eller vågvektorn) för helixen med den minsta sönderfallshastigheten är det långlivade fantomspiraltillståndet."

Förutom att observera de teoretiskt förutspådda fantomhelixtillstånden kunde Lee och hennes kollegor identifiera ett sätt att mäta interaktionsanisotropin i sin modell. Detta är i huvudsak styrkan i interaktioner mellan tvärgående och longitudinella riktningar, vilket översätts till specifik spindynamik.

"Heisenberg-modellen som vi använde har olika interaktionsstyrkor mellan xy (tvärgående) och z (längsgående) riktningar," sa Lee. "Vi kan ändra denna interaktionsanisotropi, Δ, genom att ställa in vårt magnetfält och ändra spridningslängderna mellan våra partiklar. Detta är den enda viktiga parametern i vår Hamiltonian, och styr därmed all spindynamik i detta enkla men rika system."

Tidigare kunde fysiker bara uppskatta interaktionsanisotropin med hjälp av teoretiska modeller. Fynden som samlats in av detta team av forskare visar dock att fantomhelixtillstånd kan användas för att direkt mäta denna parameter, vilket är särskilt viktigt för att utföra kvantsimuleringar. I framtiden kan resultaten av Lee och hennes kollegor därmed visa sig vara ovärderliga för att öka tillförlitligheten och troheten hos olika kvantsimuleringar.

"Vi hittade också stora bidrag till spindynamiken från termer av högre ordning," sa Lee. "Teorin förutsäger anisotropin ganska bra när interaktionerna mellan två partiklar är små; detta är den regim där kvantmagnetism vanligtvis studeras eftersom modellen går sönder när interaktionerna är stora. Men vi fann att spinnmodellen fortfarande är en giltig beskrivning vid stora interaktionsstyrkor, även om teorin för den beräknade anisotropin helt bryts ner."

I huvudsak tyder resultaten som samlats in av Lee och hennes kollegor på att teoretiska modeller som beskriver spindynamiken är ofullständiga, eftersom de inte alltid ger tillförlitliga anisotropiuppskattningar. I sina framtida arbeten planerar de därför att utforska begränsningarna hos befintliga modeller mer på djupet, samtidigt som de också beskriver mekanismen bakom fantomhelixtillstånd mer på djupet.

Slutligen, det senaste arbetet av detta team av forskare antyder också en potentiell koppling mellan fantomspiraltillstånd och kvantmångkroppsärr. Kvantärr på många kroppar är en unik uppsättning tillstånd där ett systems ergodicitet (dvs. omöjligheten att reducera det till mindre komponenter) bryts ner.

"I högre dimensioner eller för interaktioner med längre räckvidd är ett system inte längre integrerbart, vilket innebär att det inte längre har speciella bevarade kvantiteter som hindrar ett tillstånd från att termaliseras," sa Lee. "Men trots dessa systems icke-integrerbarhet visar vi noggrant att det finns analoga fantomhelixtillstånd som inte termaliserar alls. Icke-termaliserande tillstånd i icke-integrerbara mångakroppssystem är exempel på "kvantmångkroppsärr ,' som för närvarande undersöks intensivt av kvantgemenskapen."

Medan många andra team av forskare har introducerat modeller som är värd för kvantmångkroppsärr, har dessa modeller visat sig vara mycket svåra att realisera i experimentella miljöer. Däremot beskriver XXZ Heisenberg-modellen skapad av Lee och hennes kollegor ett av de enklaste många kroppssystemen att realisera, som också kan stödja ärr.

"Med tanke på Heisenberg-modellens långa och ganska berömda historia är det häpnadsväckande att detta hittills har förbisetts och är mycket lovande för framtida studier av kvantdynamik för många kroppar," sa Lee. "Vi använder nu fantomhelixtillstånden som ett känsligt verktyg för att mäta spindynamik i starkt interagerande regioner, för vilka rigorösa teoretiska behandlingar inte existerar. Detta har redan avslöjat för oss ännu mer grundläggande överraskningar om beteendet hos partiklar i optiska gitter. och vi planerar att lämna in resultaten av denna undersökning för publicering under de kommande veckorna."

Teamets experimentella observation av dessa långlivade fantomhelixtillstånd kan snart bana väg för många uppföljningsstudier av andra fysiker över hela världen. Dessutom kan det leda till utvecklingen av alternativa och mer effektiva kvantsimuleringstekniker.

"I framtiden, tack vare deras långa livslängd och robusthet mot kvantfluktuationer, kan fantomspiraltillstånd också användas för att initiera långlivade många kroppstillstånd som annars är svåra att förbereda," tillade Lee. "Dessutom kan vi skapa kvantmångkroppsärr genom att generalisera vårt system till två eller till och med tre dimensioner." + Utforska vidare

Magnetsnurr som "fryser" när de värms upp

© 2022 Science X Network