Un nuevo estudio ilumina una coreografía sorprendente entre átomos en rotación. En un artículo que aparece en la revista Naturaleza , investigadores del MIT y la Universidad de Harvard revelan cómo las fuerzas magnéticas en el cuántico, La escala atómica afecta la forma en que los átomos orientan sus espines.

En experimentos con átomos de litio ultrafríos, los investigadores observaron diferentes formas en las que evolucionan los espines de los átomos. Como bailarinas de punta haciendo piruetas de regreso a posiciones erguidas, los átomos que giran vuelven a una orientación de equilibrio de una manera que depende de las fuerzas magnéticas entre los átomos individuales. Por ejemplo, los átomos pueden girar en equilibrio de una manera extremadamente rápida, de forma "balística" o de forma más lenta, patrón más difuso.

Los investigadores encontraron que estos comportamientos, que no se había observado hasta ahora, podría describirse matemáticamente mediante el modelo de Heisenberg, un conjunto de ecuaciones que se utilizan comúnmente para predecir el comportamiento magnético. Sus resultados abordan la naturaleza fundamental del magnetismo, revelando una diversidad de comportamiento en uno de los materiales magnéticos más simples.

Esta mejor comprensión del magnetismo puede ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos "espintrónicos", que transmiten, proceso, y almacenar información utilizando el giro de las partículas cuánticas en lugar del flujo de electrones.

"Estudiando uno de los materiales magnéticos más simples, hemos avanzado en la comprensión del magnetismo, "dice Wolfgang Ketterle, el profesor de física John D. Arthur en el MIT y el líder del equipo del MIT. "Cuando encuentras nuevos fenómenos en uno de los modelos más simples de la física para el magnetismo, entonces tienes la oportunidad de describirlo y comprenderlo completamente. Esto es lo que me saca de la cama por la mañana y me emociona ".

Los coautores de Ketterle son el estudiante graduado del MIT y autor principal Paul Niklas Jepsen, junto con Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, ambos postdoctorados del MIT, Wen Wei Ho, un postdoctorado en la Universidad de Harvard y la Universidad de Stanford, y Eugene Demler, profesor de física en Harvard. Todos son investigadores del MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms. El equipo del MIT está afiliado al Departamento de Física y Laboratorio de Investigación de Electrónica del Instituto.

Cadenas de giros

El espín cuántico se considera la unidad microscópica de magnetismo. En la escala cuántica, los átomos pueden girar en sentido horario o antihorario, que les da una orientación, como la aguja de una brújula. En materiales magnéticos, el giro de muchos átomos puede mostrar una variedad de fenómenos, incluidos los estados de equilibrio, donde los espines de los átomos están alineados, y comportamiento dinámico, donde los giros a través de muchos átomos se asemejan a un patrón ondulado.

Es este último patrón el que fue estudiado por los investigadores. La dinámica del patrón de giro en forma de onda es muy sensible a las fuerzas magnéticas entre los átomos. El patrón ondulado se desvaneció mucho más rápido para las fuerzas magnéticas isotrópicas que para las fuerzas anisotrópicas. (Las fuerzas isotrópicas no dependen de cómo estén orientados todos los giros en el espacio).

El grupo de Ketterle tenía como objetivo estudiar este fenómeno con un experimento en el que utilizaron por primera vez técnicas establecidas de enfriamiento por láser para reducir los átomos de litio a aproximadamente 50 nanokelvin, más de 10 millones de veces más frío que el espacio interestelar.

A temperaturas tan frías, los átomos están congelados hasta casi detenerse, para que los investigadores puedan ver en detalle cualquier efecto magnético que de otro modo quedaría enmascarado por el movimiento térmico de los átomos. Luego, los investigadores utilizaron un sistema de láseres para atrapar y organizar múltiples cadenas con 40 átomos cada una, como cuentas en una cuerda. En todo, generaron una celosía de aproximadamente 1, 000 cuerdas, que comprende alrededor de 40, 000 átomos.

"Puedes pensar en los láseres como pinzas que agarran los átomos, y si estuvieran más calientes se escaparían, "Explica Jepsen.

Luego aplicaron un patrón de ondas de radio y una fuerza magnética pulsada a toda la red, lo que indujo a cada átomo a lo largo de la cuerda a inclinar su giro en un patrón helicoidal (o en forma de onda). Los patrones en forma de onda de estas cuerdas juntas corresponden a una modulación de densidad periódica de los átomos "spin up" que forman un patrón de rayas, que los investigadores pudieron obtener en un detector. Luego observaron cómo los patrones de franjas desaparecían a medida que los giros individuales de los átomos se acercaban a su estado de equilibrio.

Ketterle compara el experimento con tocar la cuerda de una guitarra. Si los investigadores observaran los espines de los átomos en equilibrio, esto no les diría mucho sobre las fuerzas magnéticas entre los átomos, al igual que una cuerda de guitarra en reposo no revelaría mucho sobre sus propiedades físicas. Al arrancar la cuerda, sacarlo del equilibrio, y viendo cómo vibra y eventualmente regresa a su estado original, se puede aprender algo fundamental sobre las propiedades físicas de la cuerda.

"Lo que estamos haciendo aquí es estamos tirando de la cadena de giros. Estamos poniendo este patrón de hélice y luego observar cómo se comporta este patrón en función del tiempo, "Dice Ketterle." Esto nos permite ver el efecto de diferentes fuerzas magnéticas entre los giros ".

Balística y tinta

En su experimento, los investigadores alteraron la fuerza de la fuerza magnética pulsada que aplicaron, para variar el ancho de las rayas en los patrones de giro atómico. Midieron la rapidez y de que manera los patrones se desvanecieron. Dependiendo de la naturaleza de las fuerzas magnéticas entre átomos, observaron un comportamiento sorprendentemente diferente en cómo los espines cuánticos volvían al equilibrio.

Descubrieron una transición entre el comportamiento balístico, donde los giros volvieron rápidamente a un estado de equilibrio, y comportamiento difusivo, donde los giros se propagan de manera más errática, y el patrón general de rayas se extendió lentamente hasta el equilibrio, como una gota de tinta que se disuelve lentamente en agua.

Parte de este comportamiento se ha predicho teóricamente, pero nunca observado en detalle hasta ahora. Algunos otros resultados fueron completamente inesperados. Y lo que es más, los investigadores encontraron que sus observaciones encajaban matemáticamente con lo que calcularon con el modelo de Heisenberg para sus parámetros experimentales. Se asociaron con teóricos de Harvard, que realizó cálculos de última generación de la dinámica de espín.

"Fue interesante ver que había propiedades que eran fáciles de medir, pero difícil de calcular, y se podrían calcular otras propiedades, pero no medido, "Ho dice.

Además de avanzar en la comprensión del magnetismo a un nivel fundamental, Los resultados del equipo se pueden utilizar para explorar las propiedades de nuevos materiales. como una especie de simulador cuántico. Tal plataforma podría funcionar como una computadora cuántica de propósito especial que calcula el comportamiento de los materiales, de una manera que excede las capacidades de las computadoras más poderosas de la actualidad.

"Con todo el entusiasmo actual sobre la promesa de la ciencia de la información cuántica para resolver problemas prácticos en el futuro, Es fantástico ver que un trabajo como este se concreta hoy en día, "dice John Gillaspy, oficial de programa en la División de Física de la National Science Foundation, un financiador de la investigación.