В стремлении лучше объяснить и даже использовать странное и удивительное поведение взаимодействующих квантовых систем, хорошо охарактеризованные и контролируемые атомные газы появились в качестве инструмента для имитации поведения твердых тел. Это связано с тем, что физики могут использовать лазеры, чтобы заставить атомы в разбавленных квантовых газах действовать во многих отношениях, как электроны в твердых телах. Есть надежда, что изучение той же физики в системе атом-лазер поможет ученым понять внутреннее устройство различных экзотических материалов.Физики JQI во главе с Треем Порто интересуются квантовым магнитным упорядочением, которое, как полагают, тесно связано с высокотемпературной сверхпроводимостью, а также имеет значение в других квантовых системах с массивными связями.
Недавно группа исследовала магнитную и двигательную динамику атомов в специально разработанной решетке на основе лазера, которая выглядит как шахматная доска. Их работа была опубликована в журнале Science.Чтобы спроектировать систему, которая могла бы вести себя как настоящий кусок материала, команда загружает ультрахолодный газ, содержащий около 1000 атомов рубидия, в двумерную оптическую решетку, которая представляет собой периодический массив долин и холмов, созданный пересекающимися лучами лазерного света. Атомы аналогичны электронам в твердом теле; Геометрия решетки определяется рисунком лазерного света.
Глубину решетки можно точно отрегулировать, чтобы учесть определенные типы поведения атомов. Для этого исследования атомы могут перемещаться между узлами решетки посредством квантового туннелирования — это компонент движения.
Во-вторых, можно представить, что каждый атом имеет ориентацию, аналогичную ориентации магнита *, «вверх» и «вниз». Подобно магнитам, атомы при определенных условиях могут взаимодействовать, образуя упорядоченные структуры в решетке (например, вверх-вниз-вверх-вниз…).Однако наблюдение возникновения таких магнитных состояний было сложной задачей, потому что эти конкретные фазы вещества обнаруживаются только тогда, когда атомы имеют чрезвычайно низкую энергию, которая здесь рассматривается как эффективная температура. Типичный ультрахолодный атомарный газ составляет около 10-100 нанокельвинов.
Чтобы увидеть магнитный порядок в оптической решетке, атомы должны находиться при пикокельвиновых температурах, в 10–1000 раз холоднее.Эксперимент Порту использует другой подход — исследователи работают в неравновесном режиме, когда магнитная динамика может быть вызвана при более высоких, более приемлемых температурах. Хотя устрашающие критерии пикокельвина остаются, авторы полагают, что эта методология откроет новые пути для достижения и изучения квантовой магнитной материи в более низкотемпературных, уравновешенных системах.Команда использует новую решетку «шахматная доска», в которой они имеют точный контроль над различными сайтами; это дает им возможность изучать как движение, так и магнитное поведение атомов.
Решетка состоит из двух управляемых подрешеток, обозначенных A и B, которые вместе образуют массив «двойных лунок» (см. Рисунок выше).
Исследователи могут создать желаемый магнитный порядок, изменяя относительную глубину подрешетки B по отношению к подрешетке A. Этот же механизм также используется для управления динамикой между ямами решетки. В начале эксперимента все атомные магниты инициализируются в ориентации «вверх» и заключены в двумерную однородно глубокую оптическую решетку. Второй шаг — перевернуть атомы в решетке B вниз; это делает систему антиферромагнитно упорядоченной и неравновесной. Затем глубина подрешетки B внезапно изменяется с помощью маневра, называемого «закалка».
По сути, гашение запускает систему, инициируя динамику по решетке. Атомные магниты переворачиваются вверх и вниз и туннелируют между узлами, когда они расслабляются до конфигурации, которая в данном случае больше не намагничивается.Этот эксперимент в некотором смысле раскрывает потенциальную мощь квантового моделирования, даже независимо от приложений в области материаловедения.
Порту объясняет: «Вот система атом-решетка, которую сложно вычислить точно. Тем не менее, возможность продемонстрировать точный контроль над различными конкурирующими параметрами в такой системе, а также наблюдать, как она развивается с течением времени, может дать представление о лежащей в основе физике».Ведущий автор Роджер Браун, ныне научный сотрудник Национального исследовательского совета в NIST, Боулдер продолжает: «Наша относительно расширенная двумерная система представляет собой интересную теоретическую проблему, поскольку нет точных числовых методов, а традиционные аналитические теории требуют приближений.
Таким образом, экспериментальные наблюдения могут быть полезным для выбора подходящих теорий ".* Физики используют математические модели, такие как изучаемая здесь бозонная t-J-модель, чтобы понять квантовые магниты. Поэтому для ясности в этой новости атомы названы «магнитами».
На языке статьи в Science они называются «спинами».