Un nuovo studio illumina una coreografia sorprendente tra atomi rotanti. In un articolo apparso sulla rivista Natura , ricercatori del MIT e dell'Università di Harvard rivelano come le forze magnetiche a livello quantistico, la scala atomica influenza il modo in cui gli atomi orientano i loro spin.

In esperimenti con atomi di litio ultrafreddi, i ricercatori hanno osservato diversi modi in cui si evolvono gli spin degli atomi. Come ballerine sbarazzine che piroettano di nuovo in posizione eretta, gli atomi rotanti ritornano ad un orientamento di equilibrio in un modo che dipende dalle forze magnetiche tra i singoli atomi. Per esempio, gli atomi possono ruotare in equilibrio in modo estremamente veloce, modo "balistico" o in modo più lento, schema più diffuso.

I ricercatori hanno scoperto che questi comportamenti, che fino ad ora non era stato osservato, potrebbe essere descritto matematicamente dal modello di Heisenberg, un insieme di equazioni comunemente usate per prevedere il comportamento magnetico. I loro risultati affrontano la natura fondamentale del magnetismo, rivelando una diversità di comportamento in uno dei materiali magnetici più semplici.

Questa migliore comprensione del magnetismo può aiutare gli ingegneri a progettare dispositivi "spintronici", che trasmettono, processi, e memorizzare le informazioni utilizzando lo spin delle particelle quantistiche piuttosto che il flusso di elettroni.

"Studiando uno dei materiali magnetici più semplici, abbiamo avanzato la comprensione del magnetismo, "dice Wolfgang Ketterle, il professore di fisica John D. Arthur al MIT e il leader del team del MIT. "Quando trovi nuovi fenomeni in uno dei modelli più semplici della fisica per il magnetismo, allora hai la possibilità di descriverlo e capirlo completamente. Questo è ciò che mi fa alzare dal letto la mattina, e mi emoziona".

I coautori di Ketterle sono lo studente laureato del MIT e l'autore principale Paul Niklas Jepsen, insieme a Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrov, entrambi i postdoc del MIT, Wen Wei Ho, un postdoc presso la Harvard University e la Stanford University, ed Eugene Demler, professore di fisica ad Harvard. Tutti sono ricercatori del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. Il team del MIT è affiliato al Dipartimento di Fisica dell'Istituto e al Laboratorio di Ricerca di Elettronica.

Stringhe di giri

Lo spin quantistico è considerato l'unità microscopica del magnetismo. Alla scala quantistica, gli atomi possono ruotare in senso orario o antiorario, che dà loro un orientamento, come l'ago di una bussola. Nei materiali magnetici, lo spin di molti atomi può mostrare una varietà di fenomeni, compresi gli stati di equilibrio, dove gli spin atomici sono allineati, e comportamento dinamico, dove gli spin attraverso molti atomi assomigliano a un modello ondulatorio.

È quest'ultimo modello che è stato studiato dai ricercatori. La dinamica del modello di spin ondulatorio è molto sensibile alle forze magnetiche tra gli atomi. Il modello ondulato svaniva molto più velocemente per le forze magnetiche isotrope che per le forze anisotrope. (Le forze isotrope non dipendono da come tutti gli spin sono orientati nello spazio).

Il gruppo di Ketterle mirava a studiare questo fenomeno con un esperimento in cui hanno utilizzato per la prima volta tecniche di raffreddamento laser consolidate per portare gli atomi di litio a circa 50 nanokelvin, più di 10 milioni di volte più freddi dello spazio interstellare.

A tali temperature ultrafredde, gli atomi sono quasi congelati, in modo che i ricercatori possano vedere in dettaglio eventuali effetti magnetici che sarebbero altrimenti mascherati dal movimento termico degli atomi. I ricercatori hanno quindi utilizzato un sistema di laser per intrappolare e disporre più stringhe con 40 atomi ciascuna, come perline su un filo. In tutto, hanno generato un reticolo di circa 1, 000 stringhe, composto da circa 40, 000 atomi.

"Puoi pensare ai laser come pinzette che afferrano gli atomi, e se sono più caldi scapperebbero, " spiega Jepsen.

Hanno quindi applicato uno schema di onde radio e una forza magnetica pulsata all'intero reticolo, che induceva ogni atomo lungo la corda a inclinare la sua rotazione in uno schema elicoidale (o simile a un'onda). Gli schemi ondulatori di queste stringhe insieme corrispondono a una modulazione di densità periodica degli atomi "spin up" che forma uno schema di strisce, che i ricercatori potrebbero visualizzare su un rivelatore. Hanno quindi osservato come i motivi a strisce scomparissero mentre i singoli giri degli atomi si avvicinavano al loro stato di equilibrio.

Ketterle paragona l'esperimento al pizzicare la corda di una chitarra. Se i ricercatori dovessero esaminare gli spin degli atomi all'equilibrio, questo non direbbe loro molto sulle forze magnetiche tra gli atomi, proprio come una corda di chitarra a riposo non rivelerebbe molto sulle sue proprietà fisiche. Pizzicando la corda, portandolo fuori equilibrio, e vedere come vibra e alla fine ritorna al suo stato originale, si può imparare qualcosa di fondamentale sulle proprietà fisiche della corda.

"Quello che stiamo facendo qui è, stiamo tipo pizzicando la serie di giri. Stiamo inserendo questo modello di elica, e poi osservando come si comporta questo pattern in funzione del tempo, " Ketterle dice. "Questo ci permette di vedere l'effetto di diverse forze magnetiche tra gli spin".

Balistica e inchiostro

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno alterato la forza della forza magnetica pulsata che hanno applicato, per variare la larghezza delle strisce negli schemi di rotazione atomica. Hanno misurato quanto velocemente, e in che modo, gli schemi sbiadirono. A seconda della natura delle forze magnetiche tra gli atomi, hanno osservato un comportamento sorprendentemente diverso nel modo in cui gli spin quantistici sono tornati all'equilibrio.

Hanno scoperto una transizione tra comportamento balistico, dove gli spin sono tornati rapidamente in uno stato di equilibrio, e comportamento diffusivo, dove gli spin si propagano in modo più irregolare, e il motivo a strisce generale si è diffuso lentamente verso l'equilibrio, come una goccia d'inchiostro che si scioglie lentamente nell'acqua.

Alcuni di questi comportamenti sono stati teoricamente previsti, ma mai osservata in dettaglio fino ad ora. Alcuni altri risultati erano completamente inaspettati. Cosa c'è di più, i ricercatori hanno scoperto che le loro osservazioni si adattano matematicamente a ciò che hanno calcolato con il modello di Heisenberg per i loro parametri sperimentali. Hanno collaborato con teorici ad Harvard, che ha eseguito calcoli all'avanguardia della dinamica di spin.

"E' stato interessante vedere che c'erano proprietà facili da misurare, ma difficile da calcolare, e altre proprietà potrebbero essere calcolate, ma non misurato, "Ho detto.

Oltre a far progredire la comprensione del magnetismo a un livello fondamentale, i risultati del team possono essere utilizzati per esplorare le proprietà di nuovi materiali, come una sorta di simulatore quantistico. Una tale piattaforma potrebbe funzionare come un computer quantistico per scopi speciali che calcola il comportamento dei materiali, in un modo che supera le capacità dei computer più potenti di oggi.

"Con tutta l'eccitazione attuale per la promessa della scienza dell'informazione quantistica di risolvere problemi pratici in futuro, è fantastico vedere un lavoro come questo arrivare a buon fine oggi, "dice John Gillaspy, ufficiale di programma presso la Divisione di Fisica presso la National Science Foundation, un finanziatore della ricerca.