Preparación y observación de estados de espín-hélice. a-g, preparamos una hélice de espín transversal con un ángulo polar de noventa grados (a) o un ángulo polar arbitrario θ. Las flechas negras indican la dirección de los espines de los átomos (esferas). Después de inicializar el sistema en una hélice de espín, "soltamos" los átomos y observamos cómo el patrón de espín decae con el tiempo bajo la acción del hamiltoniano XXZ de Heisenberg (c-f) y luego medimos la polarización de espín (g) tomando una fotografía con una cámara. Crédito:Jepsen et al.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos, la Universidad de Harvard y la Universidad de Stanford han revelado recientemente la existencia de estados de espín helicoidal únicos en los imanes cuánticos de Heisenberg. Sus observaciones, publicadas en un artículo en Nature Physics , podría tener implicaciones importantes para la simulación de procesos y dinámicas físicas relacionadas con el espín en sistemas cuánticos de muchos cuerpos.
"Cuando comenzamos este proyecto, nuestro objetivo principal era investigar la dinámica del magnetismo cuántico", dijeron a Phys.org Eunice (Yoo Kyung) Lee y Wen Wei Ho, dos de los investigadores que llevaron a cabo el estudio. "El magnetismo cuántico es la base de muchas de las tecnologías que usamos hoy en día, incluidos los dispositivos de almacenamiento de memoria, y por lo tanto es de fundamental interés".
Para modelar el magnetismo cuántico, uno puede representar cada partícula elemental como portadora de un giro (por ejemplo, como un trompo), que puede apuntar en diferentes direcciones. En este contexto, dos espines cercanos pueden intercambiar sus orientaciones relativas a través de un estado intermedio con ambas partículas en el mismo lugar.
"Esta idea es capturada por un modelo de libro de texto simple llamado modelo de espín de Heisenberg, que podemos realizar en una dimensión (es decir, una cadena) en nuestra plataforma experimental utilizando átomos ultrafríos", explicó Lee. "Generalmente, si preparamos un patrón simple de giros, digamos que todos los giros están alineados, luego, con el tiempo, el patrón se estropea:habrá una mezcla aleatoria de giros que apuntan en todas direcciones diferentes. Este proceso, conocido como termalización, es lo que eventualmente destruye información."
Observación de estados de hélice fantasma. a-e, cuando medimos la tasa de decaimiento γ en función del ángulo de devanado Q, vemos que hay un mínimo en la tasa de decaimiento. La ubicación del mínimo nos dice cuál es la anisotropía de Heisenberg Δ. Para (a-e) demostramos los diferentes valores de Δ que observamos. Crédito:Jepsen et al.
Un estudio reciente realizado por un equipo de físicos teóricos de la Universidad de Wuppertal y la Universidad de Ljubljana sugirió la existencia de un patrón simple de giros que no evoluciona en absoluto y, por lo tanto, se ve menos afectado por la termalización. Estos giros, en espiral a lo largo de la cadena en el plano x-y y con un cierto paso, se conocen como "estados de hélice fantasma". A diferencia de otros estados, los estados de hélice fantasma teóricamente deberían poder almacenar información durante períodos de tiempo muy largos.
"El modelo de Heisenberg tiene casi cien años, por lo que estábamos especialmente entusiasmados con estos sorprendentes nuevos 'estados de hélice fantasma' y nos dispusimos a observarlos", dijo Lee. "Para hacerlo, tuvimos que preparar un estado de hélice de espín con una longitud de onda particular, luego observar cómo el contraste de la hélice (es decir, la amplitud de nuestro patrón de espín sinusoidal) decaía con el tiempo. Si existiera el estado de hélice fantasma, vería un mínimo en la tasa de decaimiento del contraste. De hecho, observamos este mínimo, lo que nos dice que encontramos los estados de hélice fantasma de larga duración que estábamos buscando".
El artículo reciente de Lee y sus colegas también se basa en sus estudios anteriores, particularmente en términos de las estrategias que usaron para caracterizar cómo el contraste del sistema decaería con el tiempo. Para confirmar que las tasas de descomposición que observaron eran consistentes con las predicciones teóricas, también utilizaron cálculos realizados por Wen Wei Ho, uno de sus colaboradores, en un artículo anterior.
El objetivo de su nuevo estudio era observar los estados de hélice "fantasma" (es decir, estados que aportan energía cero pero un impulso finito) predichos por los teóricos de la Universidad de Wuppertal en un entorno experimental. Para hacer esto, Lee y sus colegas cargaron átomos de litio ultrafríos en una red óptica 3D, que se creó usando tres ondas estacionarias de rayos láser intensos.
Sintonizando la anisotropía con campos magnéticos. Cuando sintonizamos el campo magnético, sintonizamos las interacciones entre partículas y, por lo tanto, la anisotropía de interacción Δ. Lejos de las resonancias de Feshbach en 845G y 894G (líneas verticales discontinuas), la teoría que incluye correcciones de orden superior (líneas discontinuas) se ajusta muy bien a nuestros datos. Las líneas continuas son para datos sin correcciones de orden superior. Sin embargo, cerca de las resonancias de Feshbach hay grandes desviaciones de nuestros valores esperados. Así, el estado de hélice fantasma nos brinda una nueva herramienta que nos ha permitido descubrir una sorprendente física de muchos cuerpos, en lo que esperábamos sería uno de los modelos de muchos cuerpos más simples que se conocen. Crédito:Jepsen et al.
"Inicializamos nuestra hélice de giro girando nuestros imanes al plano transversal, luego enrollando los giros hasta que crean una hélice transversal; esto crea nuestro patrón de giro sinusoidal", dijo Lee. "Al observar el decaimiento del patrón de espín para varias longitudes de onda, extraemos los tiempos de vida característicos de estos estados. El ángulo de enrollamiento (o el vector de onda) de la hélice con la tasa de decaimiento mínima es el estado de hélice fantasma de larga duración". /P>
Además de observar los estados de hélice fantasma predichos teóricamente, Lee y sus colegas pudieron identificar una forma de medir la anisotropía de interacción en su modelo. Esta es esencialmente la fuerza de las interacciones entre las direcciones transversal y longitudinal, lo que se traduce en una dinámica de giro específica.
"El modelo de Heisenberg que usamos tiene diferentes fuerzas de interacción entre las direcciones xy (transversal) y z (longitudinal)", dijo Lee. "Podemos cambiar esta anisotropía de interacción, Δ, ajustando nuestro campo magnético y cambiando las longitudes de dispersión entre nuestras partículas. Este es el único parámetro importante en nuestro hamiltoniano y, por lo tanto, controla toda la dinámica de espín en este sistema simple pero rico". /P>
En el pasado, los físicos solo podían estimar la anisotropía de interacción utilizando modelos teóricos. Sin embargo, los hallazgos recopilados por este equipo de investigadores muestran que los estados de hélice fantasma se pueden usar para medir directamente este parámetro, que es particularmente importante para realizar simulaciones cuánticas. En el futuro, los resultados de Lee y sus colegas podrían resultar invaluables para aumentar la confiabilidad y fidelidad de diferentes simulaciones cuánticas.
Atrapar los fantasmas de Bethe:patrones de hélice de giro de larga duración en imanes cuánticos. Las unidades elementales de magnetismo, los llamados espines (flechas negras), normalmente se mueven e interactúan con otros espines, en una cadena de átomos individuales (las esferas de colores). Sin embargo, los investigadores ahora han descubierto un patrón de giro altamente excitado energéticamente, pero de larga duración, donde los giros se enrollan en una llamada hélice de giro, donde los giros no se mueven en absoluto. El fondo muestra una imagen real de un patrón de hélice de espín tan estable, que revela una modulación periódica de alto contraste de los espines. Crédito:Jepsen et al.
"También encontramos importantes contribuciones a la dinámica de espín de términos de orden superior", dijo Lee. "La teoría predice razonablemente bien la anisotropía cuando las interacciones entre dos partículas son pequeñas; este es el régimen en el que normalmente se estudia el magnetismo cuántico porque el modelo falla cuando las interacciones son grandes. Sin embargo, descubrimos que el modelo de espín sigue siendo una descripción válida a grandes fuerzas de interacción, aunque la teoría de la anisotropía calculada se desmorona por completo".
Esencialmente, los hallazgos recopilados por Lee y sus colegas sugieren que los modelos teóricos que describen la dinámica del espín están incompletos, ya que no siempre producen estimaciones de anisotropía confiables. En sus trabajos futuros, por lo tanto, planean explorar las limitaciones de los modelos existentes con mayor profundidad, al mismo tiempo que describen con mayor profundidad el mecanismo detrás de los estados de hélice fantasma.
Finalmente, el trabajo reciente de este equipo de investigadores también sugiere un vínculo potencial entre los estados de hélice fantasma y las cicatrices cuánticas de muchos cuerpos. Las cicatrices cuánticas de muchos cuerpos son un conjunto único de estados en los que se rompe la ergodicidad de un sistema (es decir, la imposibilidad de reducirlo en componentes más pequeños).
"En dimensiones más altas o para interacciones de mayor alcance, un sistema ya no es integrable, lo que significa que ya no tiene cantidades conservadas especiales que impidan que un estado se termalice", dijo Lee. "Sin embargo, a pesar de la no integrabilidad de estos sistemas, mostramos rigurosamente que existen estados de hélice fantasma análogos que no se termalizan en absoluto. Los estados no termalizantes en sistemas de muchos cuerpos no integrables son ejemplos de 'cicatrices cuánticas de muchos cuerpos'". ', que actualmente se encuentran bajo una intensa investigación por parte de la comunidad cuántica".
¡Los átomos ultrafríos viven! Una nube de átomos de litio ultrafríos es visible como un punto rojo brillante, atrapados en medio de una cámara de vacío, a una temperatura de un milikelvin, más de mil veces más fría que el espacio interestelar. Estos átomos se enfrían aún más a temperaturas de nanokelvin y se ensamblan en materiales magnéticos para su posterior estudio. Crédito:Nathan Fiske.
Si bien muchos otros equipos de investigadores han introducido modelos que albergan cicatrices cuánticas de muchos cuerpos, estos modelos han demostrado ser muy difíciles de realizar en un entorno experimental. Por el contrario, el modelo XXZ Heisenberg creado por Lee y sus colegas describe uno de los sistemas de muchos cuerpos más simples de realizar, que también puede soportar cicatrices.
"Teniendo en cuenta la larga y bastante famosa historia del modelo de Heisenberg, es sorprendente que se haya pasado por alto hasta ahora y es muy prometedor para futuros estudios de la dinámica cuántica de muchos cuerpos", dijo Lee. "Ahora estamos utilizando los estados de hélice fantasma como una herramienta sensible para medir la dinámica de espín en regiones de fuerte interacción, para las cuales no existen tratamientos teóricos rigurosos. Esto ya nos ha revelado sorpresas aún más fundamentales sobre el comportamiento de las partículas en las redes ópticas. y planeamos enviar los resultados de esta investigación para su publicación en las próximas semanas".
Los rayos láser rojos y verdes se envían a la cámara de vacío desde muchas direcciones diferentes, que es como los investigadores controlan y observan los átomos ultrafríos. Crédito:Nathan Fiske.
La observación experimental del equipo de estos estados de hélice fantasma de larga duración pronto podría allanar el camino para numerosos estudios de seguimiento por parte de otros físicos de todo el mundo. Además, podría conducir al desarrollo de técnicas de simulación cuántica alternativas y más efectivas.
"En el futuro, gracias a su larga vida útil y robustez frente a las fluctuaciones cuánticas, los estados de hélice fantasma también podrían usarse para inicializar estados de muchos cuerpos de larga duración que, de otro modo, serían difíciles de preparar", agregó Lee. "Además, podríamos crear cicatrices cuánticas de muchos cuerpos al generalizar nuestro sistema a dos o incluso tres dimensiones".
© 2022 Red Ciencia X Giros magnéticos que se 'congelan' cuando se calientan
