Dopo i loro recenti esperimenti pionieristici per accoppiare luce e materia in misura estrema, Gli scienziati della Rice University hanno deciso di cercare un effetto simile nella sola materia. Non si aspettavano di trovarlo così presto.

Il fisico del riso Junichiro Kono, lo studente laureato Xinwei Li e i suoi colleghi internazionali hanno scoperto il primo esempio di cooperazione di Dicke in un sistema materia-materia, un risultato riportato in Scienza questa settimana.

La scoperta potrebbe aiutare a far progredire la comprensione della spintronica e del magnetismo quantistico, disse Kono. Per quanto riguarda la spintronica, ha affermato che il lavoro porterà a un'elaborazione più rapida delle informazioni con un consumo energetico inferiore e contribuirà allo sviluppo del calcolo quantistico basato su spin. Le scoperte del team sul magnetismo quantistico porteranno a una comprensione più profonda delle fasi della materia indotte dalle interazioni a molti corpi su scala atomica.

Invece di usare la luce per innescare interazioni in un pozzo quantistico, un sistema che ha prodotto nuove prove di accoppiamento ultraforte di materia leggera all'inizio di quest'anno, il laboratorio Kono di Rice ha utilizzato un campo magnetico per stimolare la cooperatività tra gli spin all'interno di un composto cristallino composto principalmente da ferro ed erbio.

"Questo è un argomento emergente nella fisica della materia condensata, " ha detto Kono. "C'è una lunga storia nella fisica atomica e molecolare di ricerca del fenomeno dell'accoppiamento cooperativo ultraforte. Nel nostro caso, avevamo già trovato un modo per far interagire e ibridare luce e materia condensata, ma quello che stiamo riportando qui è più esotico."

Cooperazione Dicke, chiamato per il fisico Robert Dicke, accade quando la radiazione in entrata provoca l'accoppiamento di un insieme di dipoli atomici, come gli ingranaggi di un motore che in realtà non si toccano. I primi lavori di Dicke hanno posto le basi per l'invenzione dei laser, la scoperta della radiazione cosmica di fondo nell'universo e lo sviluppo di amplificatori lock-in utilizzati da scienziati e ingegneri.

"Dicke era un fisico insolitamente produttivo, " ha detto Kono. "Aveva molti documenti di grande impatto e realizzazioni in quasi tutte le aree della fisica. Il particolare fenomeno di Dicke che è rilevante per il nostro lavoro è legato al superradiamento, che ha introdotto nel 1954. L'idea è che se hai una collezione di atomi, o gira, possono lavorare insieme nell'interazione luce-materia per rendere coerente l'emissione spontanea. Questa era un'idea molto strana.

"Quando stimoli molti atomi in un piccolo volume, un atomo produce un fotone che interagisce immediatamente con un altro atomo nello stato eccitato, " disse Kono. " Quell'atomo produce un altro fotone. Ora hai una sovrapposizione coerente di due fotoni.

"Questo accade tra ogni coppia di atomi all'interno del volume e produce una polarizzazione macroscopica che alla fine porta a un'esplosione di luce coerente chiamata superradianza, " ha detto. Togliere la luce dall'equazione significava che il laboratorio di Kono doveva trovare un altro modo per eccitare i dipoli del materiale, la forza magnetica simile a una bussola inerente a ogni atomo, e invitali ad allinearsi. Poiché il laboratorio è attrezzato in modo unico per tali esperimenti, quando è apparso il materiale di prova, Kono e Li erano pronti.

"Il campione è stato fornito dal mio collega (e coautore) Shixun Cao dell'Università di Shanghai, " ha detto Kono. Test di caratterizzazione con un campo magnetico piccolo o nullo eseguiti da un altro coautore, Dmitry Turchinovich dell'Università di Duisburg-Essen, ha avuto poca risposta.

"Ma Dmitry è un buon amico, e sa che abbiamo uno speciale apparato sperimentale che combina la spettroscopia terahertz, basse temperature e alto campo magnetico, " ha detto Kono. "Era curioso di sapere cosa sarebbe successo se avessimo fatto le misurazioni."

"Poiché abbiamo una certa esperienza in questo campo, abbiamo ottenuto i nostri dati iniziali, ha identificato alcuni dettagli interessanti in esso e ha pensato che ci fosse qualcosa di più che potevamo esplorare in profondità, Li ha aggiunto. "Ma di certo non lo avevamo previsto, " disse Kono.

Li ha detto che per mostrare cooperazione, i componenti magnetici del composto dovevano imitare i due ingredienti essenziali in un sistema di accoppiamento luce-atomo standard in cui è stata originariamente proposta la cooperatività di Dicke:uno una specie di spin che possono essere eccitati in un oggetto simile a un'onda che simula l'onda luminosa, e un altro con livelli di energia quantistica che si sposterebbero con il campo magnetico applicato e simulerebbero gli atomi.

"All'interno di un singolo composto di ortoferrite, da un lato gli ioni ferro possono essere innescati per formare un'onda di spin ad una particolare frequenza, " Li ha detto. "Dall'altro lato, abbiamo usato la risonanza paramagnetica elettronica degli ioni erbio, che forma una struttura quantistica a due livelli che interagisce con l'onda di spin."

Mentre il potente magnete del laboratorio regolava i livelli di energia degli ioni di erbio, come rilevato dallo spettroscopio terahertz, inizialmente non ha mostrato forti interazioni con l'onda di spin del ferro a temperatura ambiente. Ma le interazioni hanno iniziato ad apparire a temperature più basse, visto in una misurazione spettroscopica della forza di accoppiamento nota come scissione di Rabi sotto vuoto.

Il drogaggio chimico dell'erbio con l'ittrio lo ha portato in linea con l'osservazione e ha mostrato la cooperatività di Dicke nelle interazioni magnetiche. "Il modo in cui la forza di accoppiamento è aumentata corrisponde in modo eccellente alle prime previsioni di Dicke, " disse Li. "Ma qui, la luce è fuori dal quadro e l'accoppiamento è materia-materia in natura."

"L'interazione di cui stiamo parlando è davvero atomica, " Kono ha detto. "Mostriamo due tipi di spin che interagiscono in un unico materiale. Questa è un'interazione meccanica quantistica, piuttosto che la meccanica classica che vediamo nell'accoppiamento luce-materia. Questo apre nuove possibilità non solo per la comprensione, ma anche per il controllo e la previsione di nuove fasi della materia condensata".