Preparazione ed osservazione degli stati di spin-elica. a-g, Prepariamo un'elica di spin trasversale con un angolo polare di novanta gradi (a) o un angolo polare arbitrario θ. Le frecce nere indicano la direzione degli spin degli atomi (sfere). Dopo aver inizializzato il sistema in un'elica di spin, "lasciamo andare" gli atomi e osserviamo il decadimento del pattern di spin nel tempo sotto l'azione dell'Hamiltoniana di Heisenberg XXZ (c-f) e quindi misuriamo la polarizzazione di spin (g) scattando una foto con una fotocamera. Credito:Jepsen et al.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, dell'Università di Harvard e della Stanford University hanno recentemente svelato l'esistenza di stati di spin elicoidali unici nei magneti quantistici di Heisenberg. Le loro osservazioni, pubblicate in un articolo su Nature Physics , potrebbe avere importanti implicazioni per la simulazione dei processi fisici e della dinamica relativi allo spin nei sistemi quantistici a molti corpi.
"Quando abbiamo iniziato questo progetto, il nostro obiettivo principale era studiare la dinamica del magnetismo quantistico", hanno detto a Phys.org Eunice (Yoo Kyung) Lee e Wen Wei Ho, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Il magnetismo quantistico è alla base di molte delle tecnologie che utilizziamo oggi, compresi i dispositivi di archiviazione di memoria, ed è quindi di fondamentale interesse."
Per modellare il magnetismo quantistico, si può rappresentare ogni particella elementare come portatrice di uno spin (ad esempio, come una trottola), che può puntare in direzioni diverse. In questo contesto, due spin vicini possono scambiare i loro orientamenti relativi tramite uno stato intermedio con entrambe le particelle nello stesso posto.
"Questa idea è catturata da un semplice modello da manuale chiamato modello di spin di Heisenberg, che possiamo realizzare in una dimensione (cioè una catena) nella nostra piattaforma sperimentale usando atomi ultrafreddi", ha spiegato Lee. "In genere, se prepariamo un semplice schema di giri, diciamo tutti gli spin allineati, nel tempo lo schema viene incasinato:ci sarà una miscela casuale di giri che puntano in tutte le diverse direzioni. Questo processo, noto come termalizzazione, è ciò che alla fine distrugge informazioni."
Osservazione degli stati dell'elica fantasma. a-e, Quando misuriamo il tasso di decadimento γ in funzione dell'angolo di avvolgimento Q, vediamo che c'è un minimo nel tasso di decadimento. La posizione del minimo ci dice che l'anisotropia di Heisenberg Δ è. Per (a-e) dimostriamo i diversi valori di Δ che osserviamo. Credito:Jepsen et al.
Un recente studio condotto da un team di fisici teorici dell'Università di Wuppertal e dell'Università di Lubiana ha suggerito l'esistenza di un semplice schema di giri che non si evolve affatto ed è quindi meno influenzato dalla termalizzazione. Questi giri, che ruotano a spirale lungo la catena nel piano xy e con un certo passo, sono noti come "stati di elica fantasma". A differenza di altri stati, gli stati dell'elica fantasma dovrebbero teoricamente essere in grado di memorizzare informazioni per periodi di tempo molto lunghi.
"Il modello di Heisenberg ha quasi cento anni, quindi siamo stati particolarmente entusiasti di questi nuovi sorprendenti 'stati dell'elica fantasma' e abbiamo deciso di osservarli", ha detto Lee. "Per fare ciò, abbiamo dovuto preparare uno stato di spin-elica con una particolare lunghezza d'onda, quindi osservare come il contrasto dell'elica (cioè l'ampiezza del nostro pattern di spin sinusoidale) è decaduto nel tempo. Se lo stato di elica fantasma esistesse, avremmo vedrebbe un minimo nel tasso di decadimento del contrasto. Abbiamo infatti osservato questo minimo, dicendoci che abbiamo trovato gli stati elica fantasma di lunga durata che stavamo cercando!"
Il recente articolo di Lee e dei suoi colleghi si basa anche sui loro studi passati, in particolare in termini di strategie utilizzate per caratterizzare il modo in cui il contrasto del sistema decadrebbe nel tempo. Per confermare che i tassi di decadimento osservati erano coerenti con le previsioni teoriche, hanno utilizzato anche i calcoli effettuati da Wen Wei Ho, uno dei loro collaboratori, in un precedente articolo.
L'obiettivo del loro nuovo studio era osservare gli stati dell'elica "fantasma" (cioè gli stati che contribuiscono a energia zero ma quantità di moto finita) previsti dai teorici dell'Università di Wuppertal in un ambiente sperimentale. Per fare ciò, Lee e i suoi colleghi hanno caricato atomi di litio ultrafreddi in un reticolo ottico 3D, che è stato creato utilizzando tre onde stazionarie di intensi raggi laser.
Sintonizzazione dell'anisotropia con i campi magnetici. Quando sintonizziamo il campo magnetico, sintonizziamo le interazioni tra le particelle e quindi l'anisotropia di interazione Δ. Lontano dalle risonanze di Feshbach a 845G e 894G (linee verticali tratteggiate), la teoria che include correzioni di ordine superiore (linee tratteggiate) si adatta molto bene ai nostri dati. Le linee continue sono per i dati senza correzioni di ordine superiore. Vicino alle risonanze di Feshbach, tuttavia, ci sono grandi deviazioni dai nostri valori attesi. Pertanto, lo stato dell'elica fantasma ci offre un nuovo strumento che ci ha permesso di scoprire una sorprendente fisica a molti corpi, in quello che ci aspettavamo fosse uno dei modelli a molti corpi più semplici conosciuti. Credito:Jepsen et al.
"Abbiamo inizializzato la nostra elica di rotazione ruotando i nostri magneti sul piano trasversale, quindi avvolgendo gli spin fino a creare un'elica trasversale; questo crea il nostro schema di rotazione sinusoidale", ha detto Lee. "Osservando il decadimento del pattern di rotazione per varie lunghezze d'onda, estraiamo le durate caratteristiche di questi stati. L'angolo di avvolgimento (o il vettore d'onda) dell'elica con il tasso di decadimento minimo è lo stato dell'elica fantasma di lunga durata."
Oltre a osservare gli stati dell'elica fantasma teoricamente previsti, Lee e i suoi colleghi sono stati in grado di identificare un modo per misurare l'anisotropia di interazione nel loro modello. Questa è essenzialmente la forza delle interazioni tra le direzioni trasversale e longitudinale, che si traduce in specifiche dinamiche di rotazione.
"Il modello di Heisenberg che abbiamo utilizzato ha diversi punti di forza di interazione tra le direzioni xy (trasversale) e z (longitudinale)", ha detto Lee. "Possiamo modificare questa anisotropia di interazione, Δ, sintonizzando il nostro campo magnetico e modificando le lunghezze di scattering tra le nostre particelle. Questo è l'unico parametro importante nella nostra Hamiltoniana e quindi controlla tutte le dinamiche di spin in questo sistema semplice ma ricco."
In passato, i fisici potevano solo stimare l'anisotropia di interazione utilizzando modelli teorici. Tuttavia, i risultati raccolti da questo team di ricercatori mostrano che gli stati dell'elica fantasma possono essere utilizzati per misurare direttamente questo parametro, che è particolarmente importante per eseguire simulazioni quantistiche. In futuro, i risultati di Lee e dei suoi colleghi potrebbero quindi rivelarsi preziosi per aumentare l'affidabilità e la fedeltà di diverse simulazioni quantistiche.
Catturare i fantasmi di Bethe:modelli di spin-elica di lunga durata nei magneti quantistici. Le unità elementari del magnetismo, i cosiddetti spin (frecce nere), si muovono tipicamente e interagiscono con altri spin, in una catena di singoli atomi (le sfere colorate). Tuttavia, i ricercatori hanno ora scoperto uno schema di rotazione altamente eccitato dal punto di vista energetico, ma di lunga durata, in cui gli spin si avvolgono in una cosiddetta elica di spin, in cui gli spin non si muovono affatto. Lo sfondo mostra un'immagine reale di un modello di elica di spin così stabile, rivelando una modulazione periodica degli spin ad alto contrasto. Credito:Jepsen et al.
"Abbiamo anche trovato importanti contributi alle dinamiche di rotazione da termini di ordine superiore", ha affermato Lee. "La teoria prevede ragionevolmente bene l'anisotropia quando le interazioni tra due particelle sono piccole; questo è il regime in cui il magnetismo quantistico viene tipicamente studiato perché il modello si rompe quando le interazioni sono grandi. Tuttavia, abbiamo scoperto che il modello di spin è ancora una descrizione valida a grandi forze di interazione, sebbene la teoria per l'anisotropia calcolata sia completamente scomposta."
In sostanza, i risultati raccolti da Lee e dai suoi colleghi suggeriscono che i modelli teorici che descrivono la dinamica di spin sono incompleti, poiché non sempre producono stime di anisotropia affidabili. Nei loro lavori futuri, hanno quindi in programma di esplorare più in profondità i limiti dei modelli esistenti, delineando anche più in profondità il meccanismo alla base degli stati dell'elica fantasma.
Infine, il recente lavoro di questo team di ricercatori suggerisce anche un potenziale legame tra gli stati dell'elica fantasma e le cicatrici quantistiche a molti corpi. Le cicatrici quantistiche a molti corpi sono un insieme unico di stati in cui l'ergodicità di un sistema (cioè l'impossibilità di ridurlo in componenti più piccoli) si rompe.
"In dimensioni superiori o per interazioni a lungo raggio, un sistema non è più integrabile, il che significa che non ha più quantità speciali conservate che impediscono a uno stato di termalizzare", ha affermato Lee. "Tuttavia, nonostante la non integrabilità di questi sistemi, dimostriamo rigorosamente che esistono stati dell'elica fantasma analoghi che non termalzzano affatto. Gli stati non termalizzanti in sistemi non integrabili a molti corpi sono esempi di "cicatrici quantistiche a molti corpi ,' che sono attualmente oggetto di un'intensa indagine da parte della comunità quantistica."
Atomi ultrafreddi in diretta! Una nuvola di atomi di litio ultrafreddi è visibile come un punto luminoso rosso brillante, intrappolato nel mezzo di una camera a vuoto, alla temperatura di un millikelvin, più di mille volte più fredda dello spazio interstellare. Questi atomi vengono ulteriormente raffreddati a temperature di nanokelvin e assemblati in materiali magnetici per ulteriori studi. Credito:Nathan Fiske.
Mentre molti altri team di ricercatori hanno introdotto modelli che ospitano cicatrici quantistiche a molti corpi, questi modelli si sono rivelati molto difficili da realizzare in un contesto sperimentale. Al contrario, il modello XXZ Heisenberg creato da Lee e dai suoi colleghi descrive uno dei più semplici sistemi a molti corpi da realizzare, che può anche supportare le cicatrici.
"Considerando la storia lunga e piuttosto famosa del modello di Heisenberg, è sorprendente che questo sia stato finora trascurato ed è molto promettente per studi futuri sulla dinamica quantistica a molti corpi", ha detto Lee. "Ora stiamo usando gli stati dell'elica fantasma come strumento sensibile per misurare la dinamica di spin in regioni fortemente interagenti, per le quali non esistono rigorosi trattamenti teorici. Questo ci ha già rivelato sorprese ancora più fondamentali sul comportamento delle particelle nei reticoli ottici e prevediamo di presentare i risultati di questa indagine per la pubblicazione nelle prossime settimane."
I raggi laser rossi e verdi vengono inviati nella camera a vuoto da molte direzioni diverse, ed è così che i ricercatori controllano e osservano gli atomi ultrafreddi. Credito:Nathan Fiske.
L'osservazione sperimentale da parte del team di questi stati di elica fantasma di lunga durata potrebbe presto aprire la strada a numerosi studi di follow-up da parte di altri fisici in tutto il mondo. Inoltre, potrebbe portare allo sviluppo di tecniche di simulazione quantistica alternative e più efficaci.
"In futuro, grazie alla loro lunga durata e robustezza contro le fluttuazioni quantistiche, gli stati dell'elica fantasma potrebbero essere utilizzati anche per inizializzare stati a molti corpi di lunga durata che sarebbero altrimenti difficili da preparare", ha aggiunto Lee. "Inoltre, potremmo creare cicatrici quantistiche a molti corpi generalizzando il nostro sistema a due o anche tre dimensioni". + Esplora ulteriormente
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