A volte le cose sono un po' fuori posto, e risulta essere esattamente ciò di cui hai bisogno.

Questo è stato il caso in cui i cristalli di ortoferrite si sono presentati in un laboratorio della Rice University leggermente disallineati. Quei cristalli sono diventati inavvertitamente la base di una scoperta che dovrebbe risuonare con i ricercatori che studiano la tecnologia quantistica basata sulla spintronica.

Il fisico del riso Junichiro Kono, l'alunno Takuma Makihara e i loro collaboratori hanno trovato un materiale di ortoferrite, in questo caso l'ossido di ferro ittrio, posto in un alto campo magnetico ha mostrato un sintonizzabile in modo univoco, interazioni ultraforti tra i magnoni nel cristallo.

Le ortoferriti sono cristalli di ossido di ferro con l'aggiunta di uno o più elementi di terre rare.

I Magnon sono quasiparticelle, costrutti spettrali che rappresentano l'eccitazione collettiva dello spin dell'elettrone in un reticolo cristallino.

Quello che l'uno ha a che fare con l'altro è alla base di uno studio che compare in Comunicazioni sulla natura , dove Kono e il suo team descrivono un insolito accoppiamento tra due magnon dominato dall'antirisonanza, attraverso il quale entrambi i magnon guadagnano o perdono energia contemporaneamente.

Generalmente, quando due oscillatori si accoppiano in modo risonante, uno guadagna energia a spese dell'altro, conservare l'energia totale, disse Kono.

Ma nell'accoppiamento antirisonante (o controrotante), entrambi gli oscillatori possono guadagnare o perdere energia contemporaneamente attraverso l'interazione con il vuoto quantistico, il campo di punto zero previsto dalla meccanica quantistica.

Pensala come un'altalena effimera che può essere costretta a piegarsi nel mezzo.

Makihara e i coautori Kenji Hayashida dell'Università di Hokkaido e il fisico Motoaki Bamba dell'Università di Kyoto hanno usato la scoperta per mostrare tramite la teoria la probabilità di una significativa compressione quantistica nello stato fondamentale del sistema accoppiato Magnon-Magnon.

Nello stato spremuto, la quantità di fluttuazione, o rumore, di una quantità misurabile associata ai magnon può essere soppressa, con un aumento simultaneo del rumore in un'altra quantità, disse Kono. "È legato al principio di indeterminazione di Heisenberg in cui è correlato un insieme di variabili, ma se provi a misurarne uno con precisione, perdi informazioni sull'altro. Se ne stringi uno, l'incertezza sull'altro cresce.

"Generalmente, al fine di creare uno stato compresso quantistico, si deve guidare con forza il sistema usando un raggio laser. Ma il sistema di Takuma è intrinsecamente schiacciato; questo è, può essere descritto come uno stato già spremuto, " ha detto. "Questo potrebbe diventare una piattaforma utile per le applicazioni di rilevamento quantistico".

Makihara ha affermato che lo stato unico si ottiene con un forte campo magnetico come quello utilizzato nella risonanza magnetica. Il campo applica la coppia ai momenti magnetici negli atomi, in questo caso quelli dell'ortoferrite. Ciò li fa ruotare (o precedere).

Questo richiede un campo potente. Il RAMBO del laboratorio Kono, il Rice Advanced Magnet with Broadband Optics, è uno spettrometro unico sviluppato con il fisico Hiroyuki Nojiri della Tohoku University che consente ai ricercatori di esporre materiali raffreddati quasi allo zero assoluto a potenti campi magnetici fino a 30 tesla in combinazione con impulsi laser ultracorti .

"Stavamo dicendo, 'Cosa possiamo studiare con RAMBO? Quale nuova fisica c'è in questo regime unico?'", ha detto Makihara, ora uno studente laureato alla Stanford University. "Le ortoferriti hanno questi magnon che si spostano fino a 30 tesla e frequenze nel regime dei terahertz. Le misurazioni iniziali non erano così interessanti.

"Ma poi abbiamo ricevuto cristalli (coltivati ​​dal fisico dell'Università di Shanghai Shixun Cao e dal suo gruppo) che non avevano facce perfettamente parallele, " ha detto. "Erano tipo di taglio ad angolo. E un giorno, abbiamo caricato il cristallo sul magnete con un angolo tale che il campo magnetico non fosse applicato lungo l'asse del cristallo.

"Ci aspettavamo che la frequenza di Magnon aumentasse con il campo magnetico, ma quando era inclinato, abbiamo visto un piccolo vuoto, " disse Makihara. "Allora, dopo aver discusso questa constatazione con il professor Bamba, abbiamo richiesto esplicitamente cristalli che sono stati tagliati con angoli diversi e li abbiamo misurati, e ho visto questo enorme grado di anti-attraversamento. Questa è la firma dell'accoppiamento ultraforte".

L'antirisonanza esiste sempre nelle interazioni luce-materia e materia-materia, ma è una presenza minore rispetto all'interazione risonante dominante, hanno notato i ricercatori. Non era il caso delle ortoferriti studiate dal laboratorio di Kono.

Esponendo il materiale a un campo magnetico elevato e inclinando il cristallo rispetto al campo, l'antirisonanza pompata eguagliava e addirittura superava la risonanza.

Se campi magnetici rotanti aggiuntivi (ad esempio, dalla luce polarizzata circolarmente) vengono introdotti, i momenti precedenti interagiscono fortemente con i campi che ruotano con i momenti (i campi corotanti), mentre interagiscono debolmente con campi che ruotano in direzioni opposte (i campi controrotanti).

Nella teoria quantistica, Bamba ha detto, queste cosiddette interazioni controrotanti portano a interazioni bizzarre in cui sia i sottosistemi luce che materia possono guadagnare o perdere energia allo stesso tempo. Le interazioni tra i momenti magnetici ei campi controrotanti sono considerate antirisonanti e normalmente hanno scarso effetto. Però, nel sistema accoppiato materia-materia studiato alla Rice, le interazioni antirisonanti potrebbero essere rese dominanti.

"La forza delle interazioni co-rotanti e controrotanti è solitamente una costante fissa in un sistema, e gli effetti delle interazioni co-rotanti dominano sempre quelli delle interazioni controrotanti, " ha detto Kono. "Ma questo sistema è controintuitivo perché ci sono due punti di forza di accoppiamento indipendenti, e sono incredibilmente sintonizzabili tramite l'orientamento dei cristalli e l'intensità del campo magnetico. Possiamo creare una nuova situazione in cui gli effetti dei termini controrotanti sono più dominanti rispetto ai termini co-rotanti.

"Nei sistemi di materia leggera, quando le frequenze della luce e della materia diventano uguali, si mescolano per formare un polaritone, " ha detto. "Qualcosa di simile accade nel nostro caso, ma è tra materia e materia. Due modalità Magnon si ibridano. C'è una domanda di vecchia data su cosa succede quando il grado di ibridazione diventa così alto da superare persino l'energia di risonanza.

"In un tale regime, si prevede che si verifichino fenomeni esotici a causa di interazioni controrotanti, compreso uno stato di vuoto schiacciato e una transizione di fase in un nuovo stato in cui i campi statici compaiono spontaneamente, " ha detto. "E abbiamo scoperto che possiamo ottenere tali condizioni sintonizzando il campo magnetico."

Il nuovo studio fa avanzare gli sforzi del team di Kono per osservare la transizione di fase superradiante di Dicke, un fenomeno che potrebbe creare un nuovo stato esotico della materia e portare a progressi nella memoria quantistica e nella trasduzione. Il laboratorio ha trovato un approccio promettente per realizzarlo nell'accoppiamento materia-materia nel 2018, segnalando la sua scoperta in Scienza .

La scoperta dimostra anche che l'ortoferrite in un campo magnetico potrebbe fungere da simulatore quantistico, un sistema quantistico semplice e altamente sintonizzabile che ne rappresenta uno più complesso con un numero intrattabile di particelle interagenti o un regime di parametri sperimentalmente inaccessibile, disse Kono.

L'accoppiamento magnon-magnon sintonizzabile nelle ortoferriti può essere utilizzato per fornire informazioni sulla natura dello stato fondamentale di un ultraforte, ibrido accoppiato a materia leggera, Egli ha detto.

Kono ha affermato che le loro scoperte richiederanno anche una ricerca di più materiali che mostrino l'effetto. "Le ortoferriti delle terre rare sono una grande famiglia di materiali, e ne abbiamo studiato solo uno, " Egli ha detto.