Itin šaltas atomas atskleidžia stebėtinai naują kvantinio magneto elgesį

MIT ir Harvardo mokslininkai ištyrė, kaip pagrindinis magnetinis vienetas, vadinamas sukiniu (juoda rodyklė), juda ir sąveikauja su kitais sukamaisiais pavienių atomų (spalvotų sferų) grandinėje. Pastarasis rodo tikrą rotacijos vaizdą, atskleidžiantį periodišką didelio kontrasto mėlynųjų atomų moduliavimą (sukimasis aukštyn). Kreditas: Vaizdas sutinkamas su tyrėjais.

Šis atradimas gali padėti mokslininkams kurti naujus „spintroninius“ prietaisus ir magnetines medžiagas.

Naujas tyrimas atskleidžia stebinančią choreografiją tarp besisukančių atomų. Žurnale pasirodžiusiame dokumente gamta, Tyrėjai iš su Harvardo universitetas atskleidė, kaip kvantinė magnetinė jėga veikia atomų sukimąsi.

Eksperimentuodami su ultracold ličio atomais, mokslininkai pastebėjo skirtingus atomų pasukimo būdus. Kaip ir tipiškos balerinos, kurios sukasi atgal į vertikalią padėtį, sūkuriuojantys atomai grįžta į pusiausvyrą priklausomu būdu. Magnetinė jėga tarp kiekvieno atomo Pavyzdžiui, atomai į pusiausvyrą gali virsti labai greitai „raketos“ forma arba lėčiau ir labiau išsklaidyti.

Tyrėjai nustatė, kad šį elgesį, kuris anksčiau nebuvo pastebėtas, matematiškai galima paaiškinti Heisenbergo modeliu – lygčių rinkiniu, kuris paprastai naudojamas magnetiniam elgesiui prognozuoti. Jų rezultatai aptarti pagrindinį magnetizmo pobūdį, atskleidžiant platų elgesio spektrą vienoje iš paprasčiausių magnetinių medžiagų.

Geresnis šio magnetizmo supratimas galėtų padėti inžinieriams kurti „spintroninius“ įrenginius, kurie perduoda, apdoroja ir kaupia informaciją naudodami kvantinių dalelių sukimą, o ne elektronų srautą.

„Tiriant vieną paprasčiausių magnetinių medžiagų, mes geriau supratome magnetus“, – sakė Wolfgangas Ketterle’as, John D. Arthuras, MIT fizikos profesorius ir MIT komandos vadovas. Atradę naują paprasčiausio fizikos modelio magnetams reiškinį, turite galimybę jį visiškai paaiškinti ir suprasti. Tai mane iš ryto išleidžia iš lovos ir jaudina “.

Ketterle bendraautoriai yra MIT magistrantas Paulas Niklasas Jepsenas, bendraautorius Jesse-Amato Grillas, Ivana Dimitrova, abu MIT postdocsai, Wen Wei Ho, Harvardo universiteto ir Stanfordo universiteto postdoketas, ir Hugardo universiteto fizikos profesorius Eugenijus Demleris. Visi Harvardai yra MIT-Harvardo ultravioletinių atomų centro tyrėjai, MIT komanda bendradarbiauja su Instituto Fizikos ir elektronikos tyrimų laboratorijų departamentu.

Sukimosi eilutė

Kvantinis sukimas yra magnetizmo vienetas mikro lygiu. Kvantiniame lygyje atomas gali pasisukti pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę, suteikdamas jam orientaciją į kompasą. Magnetinėse medžiagose didelis atomų sukimosi skaičius gali parodyti įvairius reiškinius, įskaitant pusiausvyrą. atomas Sukimasis yra nuoseklus ir dinamiškas elgesys, kai sukimasis per daugelį atomų turi bangą.

Ar pastarąjį modelį tyrinėja tyrėjai? Bangos modelio dinamika yra labai jautri magnetinei jėgai tarp atomų. Banguotas raštas išnyksta greičiau izotropinei magnetinei jėgai nei anizotropinei jėgai. (Izotropinė jėga nepriklauso nuo to, kaip visas sukimasis yra erdvėje)

Ketterle’o grupė siekia ištirti šį reiškinį atlikdama eksperimentą, kurio metu jie panaudojo pirmąją nustatytą lazerinio aušinimo techniką, kad ličio atomai sumažėtų iki maždaug 50 nanokelvinų, daug vėsiau nei tarpžvaigždinė erdvė. Daugiau nei 10 milijonų kartų

Esant tokiai aukštai temperatūrai, atomai užšąla beveik į aklavietę, o tai leidžia tyrėjams išsamiai apibūdinti magnetinius efektus, kuriuos gali užgožti šiluminis atomo judėjimas. Tuomet mokslininkai lazerine sistema užfiksavo ir išdėstė kelias stygas su 40 atomų, pavyzdžiui, karoliukus ant stygos. Iš viso jie sudaro apie 1000 akių, kuriose yra maždaug 40 000 atomų.

„Galite galvoti apie lazerius kaip apie pincetus, kuriuose telpa atomai, ir jei jie sušils, jie pabėgs“, – paaiškina Jepsenas.

Tada jie pritaikė bangos formą ir impulsinę magnetinę jėgą visai gardelei, kuri paskatino kiekvieną atomą palei laidą pakreipti jo sukimąsi į spiralinį modelį. Į bangas panašūs šių stygų modeliai kartu atitinka periodišką „besisukančių“ atomų tankio moduliavimą, juostelės modelį, kurį tyrėjai gali sukurti detektoriuje. Tada jie stebėjo, kaip modelis išnyksta, kai kiekvienas atomas artėja prie pusiausvyros būsenos.

Ketterle palygino eksperimentą su gitaros stygomis. Jei tyrėjai pažvelgtų į atomų sukimąsi pusiausvyroje, tai jiems daug nepasakotų apie tarpatominę magnetinę jėgą, kaip ir stacionari gitaros styga neatskleistų daug jo fizinių savybių. Išėmę stygą iš pusiausvyros būsenos ir pažiūrėję, kaip ji vibruoja ir galiausiai grįžta į pradinę būseną, galime sužinoti keletą pagrindinių dalykų apie stygos fizines savybes.

„Tai, ką mes darome čia, mes išsitraukiame. Mes kuriame šį spiralės modelį ir stebime, kaip jis veikia laiko atžvilgiu “, – sako Ketterle.” Tai leidžia mums pamatyti skirtingus magnetinių jėgų efektus sukimosi metu “.

Kulkos ir rašalas

Savo eksperimente tyrėjai modifikavo impulsinės magnetinės jėgos stiprumą, kurį jie naudoja juostos pločiui pakeisti pagal atominius sukimo modelius. Jie matavo, kaip greitai ir kokiu būdu modeliai išblėso. Priklausomai nuo magnetinės jėgos tarp atomų pobūdžio, jie pastebėjo labai skirtingą elgesį, kai kvantas pasisuka atgal į pusiausvyrą.

Jie atrado pokytį tarp raketų elgesio, kai sukimasis greitai grįžta į pusiausvyrą, ir greitai difuzinio elgesio, kai sukimasis pasiskirsto nenormaliau, o bendras gestas palaipsniui grįžta į pusiausvyros būseną. Pusiausvyros sąlygos, pavyzdžiui, rašalo lašeliai, kurie lėtai ištirpsta vandenyje.

Dalis šio elgesio teoriškai buvo prognozuota. Tačiau detalės dar niekada nebuvo pastebėtos, kai kurie kiti rezultatai yra visiškai netikėti. Be to, tyrėjai nustatė, kad jų stebėjimai matematiškai atitiko tai, ką jie apskaičiavo pagal Heisenbergo modelį savo eksperimentiniams parametrams. Jie bendradarbiavo su Harvardo teoretikais, kurie šiuolaikiškai apskaičiavo sukimosi dinamiką.

„Įdomu pamatyti, kad yra savybių, kurias galima lengvai išmatuoti. Bet sunku apskaičiuoti ir galima apskaičiuoti kitas savybes, bet negalima išmatuoti “, – sakė Ho.

Komandos rezultatai gali būti naudojami ne tik ugdant pagrindinį magnetizmo supratimo lygį, bet ir tiriant naujų medžiagų savybes, taip pat kvantinius treniruoklius. Platforma galėtų veikti kaip specialios paskirties kvantinis kompiuteris, kuris apskaičiuoja medžiagų elgseną tokiu būdu, kuris viršija šių dienų galingiausių kompiuterių galimybes.

„Šiandien jaudindamasis apie kvantinių duomenų mokslo pažadą spręsti praktines ateities problemas, puiku matyti, kad šiandien toks darbas išsipildė“, – sakė Johnas Gillasas. Projekto darbuotojai Fizikos departamente Nacionalinis mokslo fondas, remiantis tyrimą.

Nuoroda: „Spin transportas pritaikytu Heisenbergo modeliu, kurį realizuoja labai šalti atomai“, Paulas Niklasas Jepsenas, Jesse Amato-Grillas, Ivana Dimitrova, Wen Wei Ho, Eugenijus Demleris ir Wolfgangas Ketterle’as, gruodžio 16 d. 2020 m., gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3033-m

Tyrimą taip pat finansavo Gynybos departamentas bei Gordono ir Betty Moore fondai.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Išradingi vandenyno mikrobai puikiai renka maistą, kai jo trūksta

Coscinodiscus wailesii diatoma su pritvirtinta Pseudovorticella coscinodisci ciliarine epibionte. Brūkšninės linijos gaunamos iš srautų, kuriuos generuoja silikatiniai epibionai. Šaltinio vaizdo įrašas buvo...

Žindymas – net kelias dienas – susijęs su mažesniu vaikystės kraujospūdžiu

Net keletą dienų žindomų kūdikių kraujospūdis 3 metų amžiaus yra žemesnis nei vaikų, kurie niekada nemaitino krūtimi. Žindomų naujagimių kraujospūdis yra žemas, neatsižvelgiant į jų...

Dirbtinio intelekto naudojimas norint rasti senėjimo cheminius junginius

Iki Surėjaus universitetas 2021 m. Liepos 24 d Surrey universitetas sukūrė dirbtinio intelekto (AI) modelį, kuris identifikuoja sveiką senėjimą skatinančius cheminius junginius, atverdamas kelią farmacijos naujovėms,...

NASA apdovanojo „SpaceX“ sutartį su „Europa Clipper“ misijos įkūrimu

Jis yra NASA 2021 m. Liepos 24 d Šis vaizdas, patikslintas 2020 m. Gruodžio mėn., Rodo NASA erdvėlaivį „Europa Clipper“. Vidaus vandenynams padvigubėjus žemės vandenynų...

Surasti povandeninį kalną šalia Kalėdų salos kaip Saurono akis

Autoriai: Philas Vandenbossche'as ir Nelsonas Kuna / CSIRO Kaip ir „Žiedų valdovo“ trilogijos Saurono akis, povandeninį vulkaną tyliai atskleidė kelių spindulių sonaras, esantis 3100 metrų...

Newsletter

Subscribe to stay updated.