Le molecole di Rydberg sono molecole giganti composte da decine o centinaia di atomi legati a un atomo di Rydberg. Queste molecole hanno un dipolo permanente (cioè, una coppia di poli di carica opposta o magnetizzati), poiché uno dei loro atomi è in uno stato altamente eccitato.

I fisici studiano le molecole di Rydberg sia teoricamente che sperimentalmente da diversi anni. La maggior parte degli studi che studiano queste molecole, però, si sono concentrati solo su situazioni che non comportano spin quantistici, poiché la natura a molti corpi delle molecole di Rydberg rende l'analisi della loro dinamica di spin particolarmente impegnativa.

In un recente studio teorico, ricercatori dell'Università di Tokyo, l'Accademia cinese delle scienze, Il Max Planck Institute e l'Università di Harvard sono stati in grado di catturare l'interazione tra la dinamica di spin dell'elettrone Rydberg e il movimento orbitale degli atomi utilizzando un nuovo metodo che combina una trasformazione di disaccoppiamento delle impurità con un ansatz gaussiano. Le loro carte, pubblicato in Lettere di revisione fisica e Revisione fisica A , introdurre un nuovo modello teorico che potrebbe essere applicato anche ad altri problemi quantistici a molti corpi.

"L'analisi della dinamica di spin nelle molecole di Rydberg è rimasta un problema impegnativo a causa della loro natura intrinseca a molti corpi, " Yuto Ashida, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "L'obiettivo principale della nostra ricerca era affrontare questo problema, far progredire la nostra comprensione delle dinamiche di spin fuori equilibrio nei gas di Rydberg spinful".

La sfida principale nello studio delle dinamiche di spin fuori equilibrio nei gas di Rydberg spinful è che i fisici devono tenere conto del movimento orbitale degli atomi e dell'entanglement impurezza-ambiente mediato dall'accoppiamento a lungo raggio contemporaneamente. Ciò ha finora reso molto difficile catturare la dinamica di spin delle molecole di Rydberg.

"Al meglio delle nostre conoscenze, non esiste un approccio teorico applicabile a questo nuovo tipo di problema quantistico a molti corpi, " ha spiegato Ashida. "Questo è il motivo per cui abbiamo sviluppato un nuovo approccio variazionale applicabile per risolvere un tipo generico di problema dell'impurità quantistica bosonica".

Il nuovo approccio teorico introdotto da Ashida e dai suoi colleghi si basa su un'idea chiamata "districante trasformazione canonica, " che è stato introdotto dallo stesso gruppo di ricerca in un precedente documento, pubblicato anche su PRL . La trasformazione canonica districante utilizza la simmetria di parità per disaccoppiare completamente l'impurità e i gradi di libertà dell'ambiente, che alla fine consente ai ricercatori di superare i problemi associati alla cattura della dinamica di spin nei gas Rydberg in modo molto efficiente.

Il metodo variazionale utilizzato da Ashida e dai suoi colleghi per catturare l'interazione tra la dinamica di spin dell'elettrone di Rydberg e il movimento orbitale degli atomi nelle molecole di Rydberg combina la trasformazione canonica districante con un ansatz gaussiano per il bagno di particelle. Questo metodo ha permesso ai ricercatori di svelare diverse caratteristiche che non sono presenti nei tradizionali problemi di impurità.

Una di queste caratteristiche è la rinormalizzazione indotta dall'interazione dello spettro di assorbimento, che sfugge a semplici spiegazioni dagli stati legati molecolari. Usando il loro metodo variazionale, i ricercatori sono stati anche in grado di osservare oscillazioni di lunga durata dello spin dell'elettrone di Rydberg.

"La scoperta più interessante del nostro studio è stata che le dinamiche di precessione di spin hanno una durata inaspettatamente lunga nonostante la natura non integrabile dell'attuale problema a molti corpi interagenti, " ha detto Ashida. " Interpretiamo questa caratteristica come residuo dell'integrabilità del cosiddetto problema di spin centrale, che può essere ottenuto se prendiamo il limite di massa infinita nel nostro modello."

L'osservazione che le dinamiche di precessione di spin nelle molecole di Rydberg hanno una durata sorprendentemente lunga potrebbe avere implicazioni per diversi sottocampi della fisica, compreso atomico, fisica molecolare e ottica (AMO). Infatti, la presenza di rilassamento e termalizzazione in sistemi complessi a molti corpi è ancora un'area di ricerca attiva sia nella fisica dell'AMO che nella fisica statistica.

Nel futuro, il modello variazionale sviluppato dai ricercatori e le analisi da loro condotte potrebbero essere applicati anche ad altri sistemi della fisica atomica e della chimica quantistica. Ciò è particolarmente vero per i sistemi in cui un'eccitazione elettronica di un numero quantico orbitale elevato interagisce con un bagno quantico spinoso.

"Nei nostri prossimi studi, vorremmo estendere ulteriormente il nostro modello per includere il momento angolare non nullo dell'elettrone di Rydberg, " ha detto Ashida. "Altre questioni di ricerca aperte includono la generalizzazione del nostro problema al bagno fermionico, applicazione del nostro approccio variazionale generale ad altri impegnativi problemi di impurezza quantistica. Ci auguriamo che i nostri studi stimoleranno ulteriori ricerche in queste direzioni".

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