Экспериментальное наблюдение долгоживущих состояний фантомной спирали в квантовых магнетиках Гейзенберга
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института, Гарвардского и Стэнфордского университетов недавно обнаружили существование уникальных спиральных спиновых состояний в квантовых магнитах Гейзенберга. Их наблюдения, опубликованные в журнале Nature Physics, могут иметь важное значение для моделирования физических процессов и динамики, связанных со спином, в квантовых системах многих тел.
Получение и наблюдение состояний спин-спирали. ag, Готовим поперечную спиновую спираль с полярным углом девяносто градусов (а) или произвольным полярным углом θ. Черные стрелки указывают направление спинов атомов (сфер). После инициализации системы в спиновой спирали мы «отпускаем» атомы и наблюдаем за затуханием спиновой картины с течением времени под действием гейзенберговского XXZ-гамильтониана (cf), а затем измеряем спиновую поляризацию (g), делая снимок с камеры. Предоставлено: Джепсен и др.
«Когда мы начинали этот проект, нашей основной целью было исследовать динамику квантового магнетизма», — рассказали Phys.org Юнис (Ю Гён) Ли и Вен Вэй Хо, два исследователя, проводивших исследование. «Квантовый магнетизм лежит в основе многих технологий, которые мы используем сегодня, включая запоминающие устройства, и поэтому представляет фундаментальный интерес».
Для моделирования квантового магнетизма можно изобразить каждую элементарную частицу как имеющую спин (например, как волчок), который может указывать в разных направлениях. В этом контексте два соседних спина могут поменяться своими относительными ориентациями через промежуточное состояние с обеими частицами в одном и том же месте.
«Эта идея отражена в простой хрестоматийной модели, называемой спиновой моделью Гейзенберга, которую мы можем реализовать в одном измерении (т. е. в виде цепочки) на нашей экспериментальной платформе с использованием ультрахолодных атомов », — объяснил Ли. «В общем, если мы подготовим простую структуру спинов, скажем, все спины выровнены, то со временем схема запутается: будет случайная смесь спинов, указывающих во всех разных направлениях. Этот процесс, известный как термализация, — это то, что в конечном итоге разрушает Информация."
Наблюдение фантомных состояний спирали. ae, Когда мы измеряем скорость затухания γ как функцию угла намотки Q, мы видим, что скорость затухания имеет минимум. Расположение минимума говорит нам об анизотропии Гейзенберга Δ. Для (ae) мы демонстрируем различные значения Δ, которые мы наблюдаем. Предоставлено: Джепсен и др.
Недавнее исследование, проведенное группой физиков-теоретиков из Университета Вупперталя и Университета Любляны, показало существование простой структуры спинов, которая вообще не эволюционирует и, таким образом, меньше подвержена влиянию термализации. Эти спины, закручивающиеся по спирали в плоскости xy и с определенным шагом, известны как «состояния фантомной спирали». В отличие от других состояний, состояния фантомной спирали теоретически должны иметь возможность хранить информацию в течение очень длительных периодов времени.
«Модели Гейзенберга почти сто лет, поэтому мы были особенно взволнованы этими удивительными новыми «состояниями фантомной спирали» и решили их наблюдать», — сказал Ли. «Для этого нам нужно было подготовить состояние спиновой спирали с определенной длиной волны, а затем наблюдать, как контраст спирали (то есть амплитуда нашего синусоидального паттерна вращения) затухал со временем. Если состояние фантомной спирали существовало, мы увидели бы минимум в скорости затухания контраста. Мы действительно наблюдали этот минимум, что говорит нам о том, что мы нашли долгоживущие состояния фантомной спирали, которые искали!»
Недавняя статья Ли и ее коллег также основана на их прошлых исследованиях, особенно с точки зрения стратегий, которые они использовали для характеристики того, как контрастность системы будет уменьшаться с течением времени. Чтобы подтвердить, что наблюдаемые ими скорости распада согласуются с теоретическими предсказаниями, они также использовали расчеты, проведенные Вен Вей Хо, одним из их сотрудников, в предыдущей статье.
Цель их нового исследования заключалась в наблюдении «фантомных» состояний спирали (т. е. состояний, дающих нулевую энергию, но конечный импульс), предсказанных теоретиками из Вуппертальского университета в экспериментальных условиях. Для этого Ли и ее коллеги загрузили ультрахолодные атомы лития в трехмерную оптическую решетку, которая была создана с помощью трех стоячих волн интенсивных лазерных лучей.
Настройка анизотропии с помощью магнитных полей. Когда мы настраиваем магнитное поле, мы настраиваем взаимодействия между частицами и, следовательно, анизотропию взаимодействия Δ. Вдали от резонансов Фешбаха на частотах 845G и 894G (пунктирные вертикальные линии) теория, включающая поправки высших порядков (пунктирные линии), очень хорошо согласуется с нашими данными. Сплошные линии — данные без поправок высшего порядка. Однако вблизи резонансов Фешбаха наблюдаются большие отклонения от наших ожидаемых значений. Таким образом, состояние фантомной спирали дает нам новый инструмент, который позволил нам открыть удивительную физику многих тел в том, что, как мы ожидали, будет одной из самых простых известных моделей многих тел. Предоставлено: Джепсен и др.
«Мы инициализировали нашу спираль вращения, вращая наши магниты в поперечной плоскости, а затем наматывая спины, пока они не создадут поперечную спираль; это создает нашу синусоидальную схему вращения», — сказал Ли. «Наблюдая за затуханием спиновой картины для различных длин волн, мы извлекаем характерные времена жизни этих состояний. Угол закручивания (или волновой вектор) спирали с минимальной скоростью затухания является долгоживущим состоянием фантомной спирали».
В дополнение к наблюдению теоретически предсказанных состояний фантомной спирали Ли и ее коллеги смогли определить способ измерения анизотропии взаимодействия в своей модели. По сути, это сила взаимодействия между поперечным и продольным направлениями, которая выражается в специфической спиновой динамике.
«Модель Гейзенберга, которую мы использовали, имеет разную силу взаимодействия между направлениями xy (поперечное) и z (продольное)», — сказал Ли. «Мы можем изменить эту анизотропию взаимодействия, Δ, настроив наше магнитное поле и изменив длины рассеяния между нашими частицами. Это единственный важный параметр в нашем гамильтониане, и, таким образом, он контролирует всю спиновую динамику в этой простой, но богатой системе».
В прошлом физики могли оценить анизотропию взаимодействия только с помощью теоретических моделей. Однако результаты, полученные этой группой исследователей, показывают, что состояния фантомной спирали можно использовать для непосредственного измерения этого параметра, что особенно важно для выполнения квантовых симуляций. Таким образом, в будущем результаты Ли и ее коллег могут оказаться бесценными для повышения надежности и точности различных квантовых симуляций.
Ловля фантомов Бете: долгоживущие модели спиновой спирали в квантовых магнитах. Элементарные единицы магнетизма, так называемые спины (черные стрелки), обычно перемещаются и взаимодействуют с другими спинами в цепочке отдельных атомов (цветные сферы). Однако теперь исследователи обнаружили высокоэнергетически возбужденный, но долгоживущий паттерн вращения, в котором спины закручиваются в так называемую спиновую спираль, где спины вообще не двигаются. На заднем плане показано реальное изображение такой стабильной структуры спиновой спирали, демонстрирующее высококонтрастную периодическую модуляцию спинов. Предоставлено: Джепсен и др.
«Мы также обнаружили значительный вклад в динамику спина членов более высокого порядка», — сказал Ли. «Теория достаточно хорошо предсказывает анизотропию, когда взаимодействия между двумя частицами малы; это режим, в котором обычно изучается квантовый магнетизм, потому что модель не работает, когда взаимодействия велики. Однако мы обнаружили, что спиновая модель по-прежнему является допустимым описанием при больших силах взаимодействия, хотя теория расчетной анизотропии полностью рушится».
По сути, результаты, полученные Ли и ее коллегами, предполагают, что теоретические модели, описывающие спиновую динамику, неполны, поскольку они не всегда дают надежные оценки анизотропии. Таким образом, в своих будущих работах они планируют более подробно изучить ограничения существующих моделей, а также более подробно описать механизм, лежащий в основе состояний фантомной спирали.
Наконец, недавняя работа этой группы исследователей также намекает на потенциальную связь между состояниями фантомной спирали и квантовыми шрамами многих тел. Квантовые многочастичные шрамы представляют собой уникальный набор состояний, в которых нарушается эргодичность системы (т. е. невозможность свести ее к более мелким компонентам).
«В более высоких измерениях или для более дальних взаимодействий система больше не является интегрируемой, а это означает, что у нее больше нет особых сохраняющихся величин, которые предотвращают термализацию состояния», — сказал Ли. «Однако, несмотря на неинтегрируемость этих систем, мы строго показываем, что существуют аналогичные состояния фантомной спирали, которые вообще не термализуются, которые в настоящее время интенсивно исследуются квантовым сообществом».
Ультрахолодные атомы живут! Облако ультрахолодных атомов лития видно как ярко-красное светящееся пятно, запертое в середине вакуумной камеры, при температуре в милликельвин, более чем в тысячу раз холоднее межзвездного пространства. Эти атомы затем охлаждаются до температуры нанокельвина и собираются в магнитные материалы для дальнейшего изучения. Кредит: Натан Фиске.
В то время как многие другие группы исследователей представили модели, содержащие квантовые шрамы многих тел, эти модели оказалось очень трудно реализовать в экспериментальных условиях. Напротив, модель XXZ Гейзенберга, созданная Ли и ее коллегами, описывает одну из самых простых для реализации систем многих тел, которая также может поддерживать шрамы.
«Учитывая долгую и довольно известную историю модели Гейзенберга , удивительно, что на нее до сих пор не обращали внимания, и это очень многообещающе для будущих исследований квантовой динамики многих тел», — сказал Ли. «Сейчас мы используем состояния фантомной спирали в качестве чувствительного инструмента для измерения спиновой динамики в сильно взаимодействующих областях, для которых не существует строгих теоретических трактовок. Это уже открыло нам еще более фундаментальные сюрпризы в отношении поведения частиц в оптических решетках. и мы планируем представить результаты этого расследования для публикации в ближайшие недели».
Красные и зеленые лазерные лучи направляются в вакуумную камеру с разных направлений, именно так исследователи контролируют и наблюдают за ультрахолодными атомами. Кредит: Натан Фиске.
Экспериментальное наблюдение группы за этими долгоживущими состояниями фантомной спирали может вскоре проложить путь для многочисленных последующих исследований другими физиками по всему миру. Кроме того, это может привести к развитию альтернативных и более эффективных методов квантового моделирования.
«В будущем, благодаря длительному времени жизни и устойчивости к квантовым флуктуациям, состояния фантомной спирали также можно будет использовать для инициализации долгоживущих состояний многих тел, которые в противном случае трудно подготовить», — добавил Ли. «Кроме того, мы могли бы создать квантовые шрамы многих тел, обобщая нашу систему до двух или даже трех измерений».
