Mikroskopiska kvantmagneters beteende har länge varit ett ämne som lärs ut i föreläsningar i teoretisk fysik. Men att undersöka dynamiken i system som är långt ur jämvikt och se dem "live" har varit svårt hittills. Nu har forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching åstadkommit just detta med hjälp av ett kvantgasmikroskop. Med detta verktyg kan kvantsystem manipuleras och sedan avbildas med så hög upplösning att även enskilda atomer är synliga. Resultaten av experimenten på linjära kedjor av spinn visar att hur deras orientering fortplantar sig motsvarar den så kallade Kardar-Parisi-Zhang-superdiffusionen. Detta bekräftar en gissning som nyligen uppstått ur teoretiska överväganden.

Ett team av fysiker runt Dr. Johannes Zeiher och Prof Immanuel Bloch har ögon på föremål som andra nästan aldrig får se. Forskarna vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching använder ett så kallat kvantgasmikroskop för att spåra processer i kvantfysikens lilla skala. Ett sådant instrument tillåter – med hjälp av atomer och lasrar – att specifikt skapa kvantsystem med önskade egenskaper och att undersöka dem med hög upplösning. I dessa experiment fokuserar forskarna också på transportfenomen – hur kvantobjekt rör sig under vissa yttre förhållanden.

Teamet har nu gjort en överraskande experimentell upptäckt. Forskarna kunde visa att den endimensionella transporten av spinn – termen "spin" står för en specifik, magnetisk kvantegenskap hos atomer och andra partiklar – liknar makroskopiska fenomen i vissa områden. För det mesta skiljer sig processer i kvantvärlden och i den vardagliga världen avsevärt. "Men vårt arbete avslöjar en intressant koppling mellan kvantmekaniska spinnsystem i kalla atomer och klassiska system som odling av bakteriekolonier eller spridning av skogsbränder", säger Johannes Zeiher, gruppledare i divisionen Quantum Many-Body Systems på MPQ. "Denna upptäckt är helt oväntad och pekar på ett djupt samband inom icke-jämviktsfysiken som fortfarande är dåligt förstådd."

Fysiker hänvisar till en sådan teoretisk analogi mellan slumpmässig rörelse i kvantsystem och klassiska system som "universalitet". I det här specifika fallet är det Kardar-Parisi-Zhang-universaliteten (KPZ) – ett fenomen som tidigare bara känts till från klassisk fysik.

Den talande exponenten

För att observera fenomenet mikroskopiskt kylde Garching-teamet först ner ett moln av atomer till temperaturer nära absolut noll. På så sätt kunde rörelser på grund av värme uteslutas. Sedan låste de de ultrakalla atomerna i en speciellt formad "lådformad" potential, bildad av ett arrangemang av små speglar. "Vi använde detta för att studera avslappningen av en enda magnetisk domänvägg i en kedja av 50 linjärt arrangerade snurr," förklarar David Wei, en forskare i Johannes Zeihers grupp. Domänväggen separerar områden med identisk orientering av närliggande snurr från varandra. Forskarna skapade först domänväggen för experimentet med ett nytt trick, där ett "effektivt magnetfält" genererades genom att projicera ljus. Genom att göra det kan forskarna kraftigt undertrycka kopplingarna mellan snurr, och effektivt "låsa" dem på plats.

Avslappningen i spinnkedjan inträffade efter att kopplingarna mellan snurr kopplats på på ett kontrollerat sätt och, som det visade sig, följde ett karakteristiskt mönster. "Detta kan beskrivas matematiskt av en maktlag med exponenten 3/2", säger Wei – en antydan om sambandet med KPZ-universalitet. Ytterligare bevis för detta förhållande gavs när forskarna upptäckte rörelsen hos individuella snurr, vilket avslöjades genom kvantgasmikroskopet.

"Denna höga precision låg till grund för en detaljerad statistisk utvärdering", säger Zeiher. "Det slående förloppet av spindiffusion som vårt experiment visade motsvarar i sin matematiska form ungefär spridningen av en kaffefläck på en bordsduk, till exempel", förklarar Max Planck-fysikern. Att ett sådant häpnadsväckande samband kunde finnas hade ett team av teoretiker misstänkt för ungefär två år sedan utifrån teoretiska överväganden. Experimentell bekräftelse av denna hypotes saknades dock fortfarande.

En gammal modell förvånar fysiker

För beskrivningen av kvantmekaniska spinnfenomen har fysiker använt den så kallade Heisenberg-modellen mycket framgångsrikt under lång tid (men det var först nyligen som spinntransportfenomen kunde beskrivas teoretiskt inom denna modell). "Våra resultat visar att överraskande nya insikter fortfarande är möjliga även inom en etablerad teoretisk ram", betonar Johannes Zeiher. "Och de är bevis på hur teori och experiment korsbefruktas i fysiken."

De resultat som nu har uppnåtts av teamet i Garching är inte bara av akademiskt värde. De kan också vara användbara för konkreta tekniska tillämpningar. Till exempel utgör spinn också grunden för vissa former av kvantdatorer. Kunskap om informationsbärarnas transportegenskaper kan vara av avgörande betydelse för det praktiska förverkligandet av sådana nya datorarkitekturer.

Studien visas i Science . + Utforska vidare

Beräkningsundersökning bekräftar den första 3D-kvantspinnvätskan