Después de sus recientes experimentos pioneros para acoplar luz y materia a un grado extremo, Los científicos de la Universidad de Rice decidieron buscar un efecto similar solo en la materia. No esperaban encontrarlo tan pronto.

El físico de arroz Junichiro Kono, El estudiante de posgrado Xinwei Li y sus colegas internacionales han descubierto el primer ejemplo de cooperatividad de Dicke en un sistema materia-materia, un resultado informado en Ciencias esta semana.

El descubrimiento podría ayudar a avanzar en la comprensión de la espintrónica y el magnetismo cuántico, Dijo Kono. En el lado de la espintrónica, Dijo que el trabajo conducirá a un procesamiento de información más rápido con un menor consumo de energía y contribuirá al desarrollo de la computación cuántica basada en espines. Los hallazgos del equipo sobre el magnetismo cuántico conducirán a una comprensión más profunda de las fases de la materia inducidas por las interacciones de muchos cuerpos a escala atómica.

En lugar de utilizar la luz para desencadenar interacciones en un pozo cuántico, un sistema que produjo nueva evidencia de acoplamiento ultrafuerte de luz-materia a principios de este año, el laboratorio de Kono en Rice usó un campo magnético para estimular la cooperación entre los espines dentro de un compuesto cristalino hecho principalmente de hierro y erbio.

"Este es un tema emergente en la física de la materia condensada, "Dijo Kono." Hay una larga historia en la física atómica y molecular de buscar el fenómeno del acoplamiento cooperativo ultrafuerte. En nuestro caso, ya habíamos encontrado una manera de hacer que la luz y la materia condensada interactuaran e hibridaran, pero lo que informamos aquí es más exótico ".

Cooperatividad Dicke, llamado así por el físico Robert Dicke, ocurre cuando la radiación entrante hace que una colección de dipolos atómicos se acople, como engranajes en un motor que en realidad no se tocan. Los primeros trabajos de Dicke sentaron las bases para la invención de los láseres, el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo en el universo y el desarrollo de amplificadores de bloqueo utilizados por científicos e ingenieros.

"Dicke era un físico inusualmente productivo, "Dijo Kono." Tenía muchos artículos de gran impacto y logros en casi todas las áreas de la física. El fenómeno de Dicke particular que es relevante para nuestro trabajo está relacionado con la superradiancia, que introdujo en 1954. La idea es que si tienes una colección de átomos, o gira, pueden trabajar juntos en la interacción luz-materia para hacer coherente la emisión espontánea. Esta fue una idea muy extraña.

"Cuando estimula muchos átomos en un volumen pequeño, un átomo produce un fotón que interactúa inmediatamente con otro átomo en el estado excitado, "Dijo Kono." Ese átomo produce otro fotón. Ahora tienes una superposición coherente de dos fotones.

"Esto sucede entre cada par de átomos dentro del volumen y produce una polarización macroscópica que eventualmente conduce a una explosión de luz coherente llamada superradiancia". "Dijo. Sacar la luz de la ecuación significaba que el laboratorio de Kono tenía que encontrar otra forma de excitar los dipolos del material, la fuerza magnética similar a una brújula inherente a cada átomo, y pídales que se alineen. Debido a que el laboratorio está equipado de manera única para tales experimentos, cuando apareció el material de prueba, Kono y Li estaban listos.

"La muestra fue proporcionada por mi colega (y coautor) Shixun Cao de la Universidad de Shanghai, "Dijo Kono. Pruebas de caracterización con un campo magnético pequeño o nulo realizadas por otro coautor, Dmitry Turchinovich de la Universidad de Duisburg-Essen, obtuvo poca respuesta.

"Pero Dmitry es un buen amigo, y sabe que tenemos una configuración experimental especial que combina espectroscopía de terahercios, bajas temperaturas y alto campo magnético, "Dijo Kono." Tenía curiosidad por saber qué pasaría si hiciéramos las mediciones ".

"Porque tenemos algo de experiencia en este campo, tenemos nuestros datos iniciales, identificó algunos detalles interesantes en él y pensé que había algo más que podríamos explorar en profundidad, "Li agregó." Pero ciertamente no predijimos esto, "Dijo Kono.

Li dijo que para mostrar cooperatividad, los componentes magnéticos del compuesto tenían que imitar los dos ingredientes esenciales en un sistema estándar de acoplamiento de átomo de luz donde se propuso originalmente la cooperatividad de Dicke:una especie de espines que se pueden excitar en un objeto en forma de onda que simula la onda de luz, y otro con niveles de energía cuántica que cambiarían con el campo magnético aplicado y simularían los átomos.

"Dentro de un solo compuesto de ortoferrita, por un lado, los iones de hierro pueden activarse para formar una onda de giro a una frecuencia particular, "Dijo Li." En el otro lado, utilizamos la resonancia paramagnética de electrones de los iones de erbio, que forma una estructura cuántica de dos niveles que interactúa con la onda de giro ".

Mientras que el poderoso imán del laboratorio ajustaba los niveles de energía de los iones de erbio, detectado por el espectroscopio de terahercios, inicialmente no mostró interacciones fuertes con la onda de giro del hierro a temperatura ambiente. Pero las interacciones comenzaron a aparecer a temperaturas más bajas, visto en una medición espectroscópica de la fuerza de acoplamiento conocida como división Rabi al vacío.

El dopaje químico del erbio con itrio lo alineó con la observación y mostró la cooperatividad de Dicke en las interacciones magnéticas. "La forma en que aumentó la fuerza de acoplamiento coincide de manera excelente con las primeras predicciones de Dicke, "Dijo Li." Pero aquí, la luz está fuera de escena y el acoplamiento es materia-materia en la naturaleza ".

"La interacción de la que estamos hablando es realmente atomística, "Dijo Kono." Mostramos dos tipos de espín interactuando en un solo material. Esa es una interacción mecánica cuántica, en lugar de la mecánica clásica que vemos en el acoplamiento de materia ligera. Esto abre nuevas posibilidades no solo para comprender, sino también para controlar y predecir fases novedosas de la materia condensada ".