Фізикам вдалося впіймати ультрахолодні атоми літію за різними способами обертання, які описувалися моделями Гейзенберга, але не спостерігалися експериментально. Отримані дані пояснюють квантову природу магнетизму та можуть допомогти у розробці спінтронних приладів, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі Nature.
Атоми починають обертатися в одній орієнтації (показано окремими синіми крапками), яку дослідники розташували у смужку, яка зникає, коли атоми повертаються до рівноваги. Ця зміна спіна може відбуватися швидко, балістично (показано ліворуч) або більш дифузно (праворуч), залежно від магнітної сили між атомами. Paul Niklas Jepsen
Що спостерігали вчені?
Квантова динаміка — активний кордон фізики багатьох тіл, оскільки вона лежить в основі безлічі фізичних явищ, таких як перенесення, термалізація, нерівноважні стани матерії. Однак навіть лінійний відгук (близький до рівноважного) в поведінці систем багатьох тіл може бути дуже складним. Електрони переносять не тільки заряд, але і спін — власний момент імпульсу електрона. Він, подібно магніту, створює навколо себе локальне магнітне поле, а тому орієнтацію електронного спіна можна змінювати впливаючи на зовнішнє магнітне поле. У квантовому масштабі атоми можуть обертатися за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки, а у магнітних матеріалах спіни багатьох атомів можуть вирівнюватися у стані рівноваги або навпаки порушувати магнітний порядок, утворюючи спінові хвилі.
І саме останнє використовується для спінтронних приладів, де обчислювальні процеси і зберігання інформації здійснюються за фізичними принципами, які відрізняються від традиційної електроніки, бо як передавач двійкової інформації використовуються магнони — квазічастинки, за допомогою яких описують спінові хвилі. Динаміка хвилеподібної спінової структури дуже чутлива до магнітних сил між атомами: хвилястий візерунок зникав для ізотропних магнітних сил набагато швидше, ніж для анізотропних і тому фізики вивчали поведінку спінів в ультрахолодних атомах літію, де побачили нову, дивну поведінку спінів.
Чому це дивна поведінка?
Новим типом поведінки виявився різний характер повертання спінів до рівноважного стану. Дослідники виявили, що це поведінка, яка не спостерігалася досі експериментально, однак описується математично за допомогою моделі Гейзенберга — набору рівнянь, зазвичай використовуваних для передбачення магнітної поведінки. Така поведінка суперечить очікуванням про функції лінійної реакції та піднімає нові питання в розумінні квантової динаміки багатьох тіл далеко від рівноваги.
Як фізики змусили атоми так поводитися?
Вчені вивчали спінову поведінку за допомогою експерименту, в якому вони вперше застосували методи лазерного охолодження, щоб довести атоми літію до температури приблизно 50 нанокельвінів і “заморозили” атоми майже до стану спокою. Так вони змогли б детально побачити будь-які магнітні ефекти, які в іншому випадку були б замасковані під тепловим рухом атомів. Потім дослідники використовували систему лазерів, щоб вловити і розташувати кілька ланцюжків по 40 атомів в кожній, як намистинки на мотузці.Таких ланцюжків вони сформували близько тисячі, які містили 40 тисяч атомів. Потім фізики застосували радіохвилі та імпульсну магнітну силу до всієї решітки, що змусило кожен атом нахилити свій спін в спіральний (або хвилеподібний) візерунок, який дослідники могли відобразити на детекторі. У своєму експерименті дослідники змінили силу застосовуваної імпульсної магнітної сили, щоб змінити ширину смуг в структурі атомного спіна. Потім вони спостерігали, як смуги візерунку зникають, коли окремі спіни атомів наближаються до стану рівноваги. Вони вимірювали, наскільки швидко і яким чином ці візерунки зникли і залежно від природи магнітних сил між атомами, вони спостерігали абсолютно різну поведінку в тому, як квантові спіни повертаються в стан рівноваги.