A veces las cosas están un poco fuera de lugar y resulta ser exactamente lo que necesitas.

Ese fue el caso cuando los cristales de ortoferrita aparecieron en un laboratorio de la Universidad de Rice ligeramente desalineados. Esos cristales se convirtieron inadvertidamente en la base de un descubrimiento que debería resonar entre los investigadores que estudian la tecnología cuántica basada en la espintrónica.

El físico de arroz Junichiro Kono, el ex alumno Takuma Makihara y sus colaboradores encontraron un material de ortoferrita, en este caso óxido de hierro ytrio, colocado en un campo magnético alto mostró singularmente sintonizable, Interacciones ultrafuertes entre magnones en el cristal.

Las ortoferritas son cristales de óxido de hierro con la adición de uno o más elementos de tierras raras.

Los magnones son cuasipartículas, construcciones fantasmales que representan la excitación colectiva del espín del electrón en una red cristalina.

Lo que uno tiene que ver con el otro es la base de un estudio que aparece en Comunicaciones de la naturaleza , donde Kono y su equipo describen un acoplamiento inusual entre dos magnones dominados por antiresonancia, a través del cual ambos magnones ganan o pierden energía simultáneamente.

Generalmente, cuando dos osciladores se acoplan resonantemente, uno gana energía a expensas del otro, conservando la energía total, Dijo Kono.

Pero en el acoplamiento antiresonante (o contrarrotante), ambos osciladores pueden ganar o perder energía al mismo tiempo a través de la interacción con el vacío cuántico, el campo de punto cero que la mecánica cuántica predice que existe.

Piense en ello como un balancín efímero que puede verse obligado a doblarse en el medio.

Makihara y los coautores Kenji Hayashida de la Universidad de Hokkaido y el físico Motoaki Bamba de la Universidad de Kyoto utilizaron el descubrimiento para mostrar a través de la teoría la probabilidad de una compresión cuántica significativa en el estado fundamental del sistema acoplado magnón-magnón.

En el estado exprimido la cantidad de fluctuación, o ruido, de una cantidad mensurable asociada con los magnones se puede suprimir, con aumento simultáneo de ruido en otra cantidad, Dijo Kono. "Está relacionado con el principio de incertidumbre de Heisenberg en el que se correlaciona un conjunto de variables, pero si intentas medir uno con precisión, pierde información sobre el otro. Si aprietas uno, crece la incertidumbre sobre el otro.

"Generalmente, para crear un estado cuántico comprimido, uno tiene que impulsar fuertemente el sistema usando un rayo láser. Pero el sistema de Takuma está intrínsecamente comprimido; es decir, se puede describir como un estado ya exprimido, ", dijo." Esto podría convertirse en una plataforma útil para aplicaciones de detección cuántica ".

Makihara dijo que el estado único se logra con un fuerte campo magnético como el que se usa en la resonancia magnética. El campo aplica torque a los momentos magnéticos en los átomos, en este caso los de la ortoferrita. Eso hace que giren (o precesen).

Eso requiere un campo poderoso. El RAMBO del laboratorio de Kono, el imán avanzado Rice con óptica de banda ancha, es un espectrómetro único desarrollado con el físico Hiroyuki Nojiri de la Universidad de Tohoku que permite a los investigadores exponer materiales enfriados a casi cero absoluto a campos magnéticos potentes de hasta 30 tesla en combinación con pulsos láser ultracortos. .

"Decíamos, '¿Qué podemos estudiar con RAMBO? ¿Qué nueva física hay en este régimen único? '", Dijo Makihara, ahora estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford. "Las ortoferritas tienen magnones que cambian hasta 30 tesla y frecuencias en el régimen de terahercios. Las mediciones iniciales no fueron tan interesantes.

"Pero luego recibimos cristales (cultivados por el físico de la Universidad de Shanghai Shixun Cao y su grupo) que no tenían caras perfectamente paralelas, ", dijo." Estaban como cortados en ángulo. Y un día, Cargamos el cristal en el imán en un ángulo tal que el campo magnético no se aplicó a lo largo del eje del cristal.

"Esperábamos que la frecuencia de Magnon simplemente se desplazara hacia arriba con el campo magnético, pero cuando estaba inclinado, vimos un pequeño hueco, "Makihara dijo." Entonces, después de discutir este hallazgo con el profesor Bamba, solicitamos explícitamente cristales que se cortaron en diferentes ángulos y los medimos, y vi este enorme grado de anti-cruce. Esa es la firma del acoplamiento ultrafuerte ".

La antirresonancia siempre existe en las interacciones luz-materia y materia-materia, pero es una presencia menor en comparación con la interacción resonante dominante. anotaron los investigadores. Ese no fue el caso de las ortoferritas estudiadas por el laboratorio de Kono.

Exponer el material a un campo magnético alto e inclinar el cristal con respecto al campo bombeó una antirresonancia que igualó e incluso superó la resonancia.

Si hay campos magnéticos giratorios adicionales (por ejemplo, de luz circularmente polarizada) se introducen, los momentos de precesión interactúan fuertemente con campos que rotan con los momentos (los campos co-rotativos), mientras que interactúan débilmente con campos que giran en direcciones opuestas (los campos contrarrotantes).

En teoría cuántica, Bamba dijo, estas llamadas interacciones contrarrotantes conducen a interacciones extrañas en las que tanto los subsistemas de luz como de materia pueden ganar o perder energía al mismo tiempo. Las interacciones entre los momentos magnéticos y los campos en contrarrotación se consideran antirresonantes y normalmente tienen poco efecto. Sin embargo, en el sistema acoplado materia-materia estudiado en Rice, las interacciones antirresonantes podrían hacerse dominantes.

"La fuerza de las interacciones de co-rotación y contrarotación suele ser una constante fija en un sistema, y los efectos de las interacciones co-rotativas siempre dominan los de las interacciones contrarrotantes, "Dijo Kono." Pero este sistema es contrario a la intuición porque hay dos fuerzas de acoplamiento independientes, y son increíblemente ajustables a través de la orientación del cristal y la fuerza del campo magnético. Podemos crear una situación nueva en la que los efectos de los términos contrarrotantes sean más dominantes que los de los términos correrotantes.

"En los sistemas de materia ligera, cuando las frecuencias de la luz y la materia se igualan, se mezclan para formar un polariton, ", dijo." Algo similar sucede en nuestro caso, pero está entre la materia y la materia. Dos modos magnon se hibridan. Existe una pregunta de larga data sobre qué sucede cuando el grado de hibridación se vuelve tan alto que incluso excede la energía de resonancia.

"En tal régimen, Se predice que ocurren fenómenos exóticos debido a interacciones contrarrotantes, incluyendo un estado de vacío comprimido y una transición de fase a un estado nuevo donde los campos estáticos aparecen espontáneamente, ", dijo." Y descubrimos que podemos lograr tales condiciones sintonizando el campo magnético ".

El nuevo estudio avanza los esfuerzos del equipo de Kono para observar la transición de fase superradiante de Dicke, un fenómeno que podría crear un nuevo estado exótico de la materia y conducir a avances en la memoria cuántica y la transducción. El laboratorio encontró un enfoque prometedor para realizarlo en el acoplamiento materia-materia en 2018, informando su descubrimiento en Ciencias .

El descubrimiento también demuestra que la ortoferrita en un campo magnético podría servir como un simulador cuántico, un sistema cuántico simple y altamente sintonizable que representa uno más complejo con un número insuperable de partículas que interactúan o un régimen de parámetros experimentalmente inaccesible, Dijo Kono.

El acoplamiento magnon-magnon sintonizable en ortoferritas se puede utilizar para proporcionar información sobre la naturaleza del estado fundamental de un ultrafuerte, híbrido de materia ligera acoplado, él dijo.

Kono dijo que sus hallazgos también impulsarán la búsqueda de más materiales que exhiban el efecto. "Las ortoferritas de tierras raras son una gran familia de materiales, y estudiamos solo uno, " él dijo.