Atomi molto freddi rivelano un nuovo tipo sorprendente di comportamento magnetico quantistico

I ricercatori del MIT e dell’Università di Harvard hanno studiato come le unità elementari del magnetismo, chiamate spin (frecce nere), si muovono e interagiscono con altri spin, in una serie di singoli atomi (palline colorate). Lo sfondo mostra un’immagine reale dello spin, rivelando una modulazione ciclica ad alto contrasto degli atomi blu (spin up). Credito: con il permesso dei ricercatori

I risultati potrebbero aiutare i ricercatori a progettare nuovi dispositivi “spintronici” e materiali magnetici.

Un nuovo studio fa luce sulla sorprendente coreografia tra atomi in rotazione. In un articolo apparso sulla rivista naturaE i ricercatori di Con L’Università di Harvard ha rivelato come le forze magnetiche su scala quantistica atomica influenzano il modo in cui gli atomi dirigono la loro rotazione.

In esperimenti con atomi di litio estremamente freddi, i ricercatori hanno osservato diversi modi in cui gli atomi x si evolvono. Come le graziose ballerine che ritornano in posizione diritta, gli atomi rotanti ritornano nella direzione di equilibrio in un modo che dipende dalle forze magnetiche tra i singoli atomi. Ad esempio, gli atomi possono ruotare in equilibrio “balistico” molto rapidamente o in uno schema più lento e diffuso.

I ricercatori hanno scoperto che questi comportamenti, che non sono stati ancora osservati, possono essere descritti matematicamente attraverso il modello di Heisenberg, un insieme di equazioni comunemente usate per prevedere il comportamento magnetico. Le loro scoperte affrontano la natura fondamentale del magnetismo, rivelando la diversità di comportamento in uno dei materiali magnetici più basilari.

Questa migliore comprensione del magnetismo può aiutare gli ingegneri a progettare dispositivi “spintronici”, che trasmettono, elaborano e memorizzano le informazioni utilizzando la rotazione delle particelle quantistiche piuttosto che il flusso di elettroni.

“Studiando uno dei materiali più semplici del magnetismo, abbiamo sviluppato una comprensione del magnetismo”, afferma Wolfgang Ketterl, professore di fisica al MIT e team leader del Massachusetts Institute of Technology, Wolfgang Kitterl. “Quando trovi nuovi fenomeni in uno dei modelli più semplici della fisica del magnetismo, allora hai la possibilità di descriverli e capirli completamente. Questo è ciò che mi fa alzare dal letto la mattina e mi eccita”.

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I coautori di Ketterle sono lo studente laureato del MIT e autore principale Paul Niklas Jepsen, insieme a Jesse Amato Grill e Ivana Dimitrova, entrambi ricercatori postdottorato al MIT, e Wayne Wei Ho, ricercatore postdottorato di Harvard Stanford University e Eugene Daimler, professore di fisica ad Harvard. Tutti loro sono ricercatori presso il MIT-Harvard Center for Ultra-Cold Atoms. Il team del MIT è affiliato al Dipartimento di Fisica dell’Istituto e al Laboratorio di ricerca elettronica dell’Istituto.

Le corde ruotano

Lo spin quantistico è l’unità microscopica del magnetismo. Su una scala quantistica, gli atomi possono ruotare in senso orario o antiorario, dando loro una direzione, come l’ago di una bussola. Nei materiali magnetici, la rotazione di molti atomi può mostrare una varietà di fenomeni, inclusi gli stati di equilibrio, dove Mais Gli spin e il comportamento dinamico sono allineati, poiché le rotazioni attraverso molti atomi assomigliano a un modello ondulato.

Questo è l’ultimo modello studiato dai ricercatori. La dinamica del modello d’onda di spin è molto sensibile alle forze magnetiche tra gli atomi. Il modello ondulato è sbiadito molto più velocemente per le forze magnetiche isotropiche che per le forze anisotropiche. (Le forze isotropiche non dipendono da come tutte le rotazioni sono dirette nello spazio.)

Il gruppo Ketterle mira a studiare questo fenomeno attraverso un esperimento in cui hanno utilizzato per la prima volta tecniche di raffreddamento laser per ridurre gli atomi di litio a circa 50 nanocelvin, oltre 10 milioni di volte più freddi dello spazio interstellare.

A temperature così fredde, gli atomi si congelano fino quasi all’inerzia, quindi i ricercatori possono vedere in dettaglio tutti gli effetti magnetici che il movimento termico degli atomi può mascherare in dettaglio. I ricercatori hanno quindi utilizzato un sistema di laser per intrappolare e disporre più stringhe, ciascuna contenente 40 atomi, come perline su un filo. In totale, hanno prodotto una rete di circa 1.000 catene, composta da circa 40.000 atomi.

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“Puoi pensare ai laser come a pinzette che catturano gli atomi e, se sono più caldi, scappano”, spiega Gibson.

Quindi hanno applicato un modello di onde radio e una forza magnetica pulsata all’intera rete, inducendo ogni atomo lungo il filo a inclinare la sua rotazione in uno schema a spirale (o onda). I modelli ondulatori di queste stringhe insieme corrispondono a una periodica modulazione di densità “spin up” degli atomi che formano un modello di linee, che i ricercatori possono fotografare su un rilevatore. Quindi hanno osservato come i motivi a strisce scomparivano quando le rotazioni individuali degli atomi si avvicinavano all’equilibrio.

Ketterle paragona l’esperienza al pizzicare la chitarra. Se i ricercatori osservassero la rotazione degli atomi in equilibrio, questo non direbbe loro molto sulle forze magnetiche tra gli atomi, proprio come una corda di chitarra nello stato di riposo rivelerebbe poco sulle sue proprietà fisiche. Strappando il filo, togliendolo dall’equilibrio e vedendo come vibra e alla fine ritorna al suo stato originale, si può imparare qualcosa di fondamentale sulle proprietà fisiche del tendine.

“Quello che stiamo facendo qui è, una sorta di strappare una serie di cicli. Stiamo inserendo questo modello a spirale, e poi stiamo notando come quel modello si comporta in funzione del tempo”, dice Ketterle. “Questo ci permette di vedere l’effetto delle diverse forze magnetiche tra le rotazioni”.

Balistica e inchiostro

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno alterato la forza della forza magnetica pulsata che hanno usato per alterare la larghezza delle linee nei modelli di rotazione atomica. Hanno misurato quanto velocemente e in che modo i modelli sono sbiaditi. A seconda della natura delle forze magnetiche tra gli atomi, hanno osservato un comportamento sorprendentemente diverso nel modo in cui gli avvolgimenti quantistici sono tornati in equilibrio.

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Hanno scoperto una transizione tra il comportamento balistico, in cui gli spin tornano rapidamente all’equilibrio, e il comportamento diffusivo, in cui gli avvolgimenti si espandono in modo irregolare, e il motivo a strisce generale si diffonde lentamente fino all’equilibrio, come una goccia di inchiostro che si dissolve lentamente nell’acqua.

Alcuni di questi comportamenti erano previsti in teoria, ma non sono stati ancora osservati in dettaglio. Alcuni degli altri risultati sono stati completamente inaspettati. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che le loro osservazioni corrispondevano matematicamente a quanto calcolato utilizzando il modello di Heisenberg per i loro criteri sperimentali. Hanno collaborato con i teorici dell’Università di Harvard, che hanno effettuato i calcoli più recenti delle dinamiche della Senna.

“È stato interessante vedere che ci sono caratteristiche facili da misurare, ma difficili da calcolare, e altre caratteristiche possono essere calcolate, ma non possono essere misurate”, dice Ho.

Oltre a migliorare la comprensione del magnetismo a livello di base, i risultati del team possono essere utilizzati per esplorare le proprietà di nuovi materiali, come una sorta di simulazione quantistica. Una simile 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 tutto l’entusiasmo attuale per la promessa della scienza dell’informazione quantistica di risolvere problemi pratici in futuro, è fantastico vedere che un lavoro come questo ripaga davvero oggi”, afferma John Gilasby, responsabile del programma nel dipartimento di fisica dell’istituto. National Science Foundation, sponsor della ricerca.

Riferimento: “Trasporto rotazionale in un modello di Heisenberg sintonizzabile ottenuto con atomi estremamente freddi” di Paul Niklas Jepsen, Jesse Amato-Grill, Ivana Dimitrova, Wen Wei Ho, Eugene Demler e Wolfgang Ketterle, 16 dicembre 2021, natura.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3033-y

La ricerca è stata anche sostenuta dal Dipartimento della Difesa, dalla Gordon Foundation e da Betty Moore.

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