Depois de seus recentes experimentos pioneiros para acoplar luz e matéria a um grau extremo, Os cientistas da Rice University decidiram procurar um efeito semelhante apenas na matéria. Eles não esperavam encontrá-lo tão cedo.

O físico do arroz Junichiro Kono, o estudante de graduação Xinwei Li e seus colegas internacionais descobriram o primeiro exemplo de cooperatividade Dicke em um sistema matéria-matéria, um resultado relatado em Ciência esta semana.

A descoberta pode ajudar a avançar na compreensão da spintrônica e do magnetismo quântico, Kono disse. Do lado da spintrônica, ele disse que o trabalho levará a um processamento de informações mais rápido com menor consumo de energia e contribuirá para o desenvolvimento da computação quântica baseada em spin. As descobertas da equipe sobre o magnetismo quântico levarão a uma compreensão mais profunda das fases da matéria induzidas por interações de muitos corpos em escala atômica.

Em vez de usar luz para desencadear interações em um poço quântico, um sistema que produziu novas evidências de acoplamento ultra-forte luz-matéria no início deste ano, o laboratório Kono em Rice usou um campo magnético para estimular a cooperação entre os spins dentro de um composto cristalino feito principalmente de ferro e érbio.

"Este é um assunto emergente na física da matéria condensada, "Kono disse." Há uma longa história na física atômica e molecular de se procurar o fenômeno do acoplamento cooperativo ultra-forte. No nosso caso, já havíamos encontrado uma maneira de fazer luz e matéria condensada interagir e hibridizar, mas o que estamos relatando aqui é mais exótico. "

Cooperatividade Dicke, nomeado em homenagem ao físico Robert Dicke, acontece quando a radiação que chega faz com que uma coleção de dipolos atômicos se acople, como engrenagens de um motor que na verdade não se tocam. Os primeiros trabalhos de Dicke prepararam o terreno para a invenção dos lasers, a descoberta da radiação cósmica de fundo no universo e o desenvolvimento de amplificadores lock-in usados ​​por cientistas e engenheiros.

"Dicke era um físico extraordinariamente produtivo, "Kono disse." Ele tinha muitos trabalhos de alto impacto e realizações em quase todas as áreas da física. O fenômeno Dicke específico que é relevante para o nosso trabalho está relacionado ao superradiance, que ele introduziu em 1954. A ideia é que, se você tiver uma coleção de átomos, ou gira, eles podem trabalhar juntos na interação luz-matéria para tornar coerente a emissão espontânea. Essa foi uma ideia muito estranha.

"Quando você estimula muitos átomos em um pequeno volume, um átomo produz um fóton que imediatamente interage com outro átomo no estado excitado, "Kono disse." Esse átomo produz outro fóton. Agora você tem uma superposição coerente de dois fótons.

"Isso acontece entre cada par de átomos dentro do volume e produz polarização macroscópica que eventualmente leva a uma explosão de luz coerente chamada superradiância, "disse ele. Tirar a luz da equação significava que o laboratório de Kono tinha que encontrar outra maneira de excitar os dipolos do material, a força magnética semelhante a uma bússola inerente a cada átomo, e faça com que eles se alinhem. Como o laboratório é equipado exclusivamente para esses experimentos, quando o material de teste apareceu, Kono e Li estavam prontos.

"A amostra foi fornecida pelo meu colega (e co-autor) Shixun Cao da Universidade de Xangai, "Kono disse. Testes de caracterização com um pequeno ou nenhum campo magnético realizados por outro co-autor, Dmitry Turchinovich da Universidade de Duisburg-Essen, atraiu pouca resposta.

"Mas Dmitry é um bom amigo, e ele sabe que temos uma configuração experimental especial que combina espectroscopia terahertz, baixas temperaturas e alto campo magnético, "Kono disse." Ele estava curioso para saber o que aconteceria se fizéssemos as medições. "

"Porque temos alguma experiência neste campo, temos nossos dados iniciais, identificamos alguns detalhes interessantes e pensei que havia algo mais que poderíamos explorar em profundidade, "Li acrescentou." Mas certamente não previmos isso, "Kono disse.

Li disse que para mostrar cooperatividade, os componentes magnéticos do composto tinham que imitar os dois ingredientes essenciais em um sistema de acoplamento de átomo de luz padrão onde a cooperatividade de Dicke foi originalmente proposta:uma espécie de spins que podem ser excitados em um objeto semelhante a uma onda que simula a onda de luz, e outro com níveis de energia quântica que mudariam com o campo magnético aplicado e simulariam os átomos.

"Dentro de um único composto de ortoferrita, de um lado, os íons de ferro podem ser acionados para formar uma onda de spin em uma determinada frequência, "Li disse." Do outro lado, usamos a ressonância paramagnética de elétrons dos íons de érbio, que forma uma estrutura quântica de dois níveis que interage com a onda de spin. "

Enquanto o poderoso ímã do laboratório ajustava os níveis de energia dos íons de érbio, conforme detectado pelo espectroscópio terahertz, inicialmente não mostrou fortes interações com a onda de spin do ferro à temperatura ambiente. Mas as interações começaram a aparecer em temperaturas mais baixas, visto em uma medição espectroscópica da força de acoplamento conhecida como divisão de Rabi a vácuo.

A dopagem química do érbio com ítrio alinhou-o com a observação e mostrou cooperatividade de Dicke nas interações magnéticas. "A maneira como a força de acoplamento aumentou combina de maneira excelente com as previsões iniciais de Dicke, "Li disse." Mas aqui, a luz está fora de cena e o acoplamento é matéria-matéria na natureza. "

"A interação de que estamos falando é realmente atomística, "Kono disse." Mostramos dois tipos de spin interagindo em um único material. Essa é uma interação mecânica quântica, em vez da mecânica clássica que vemos no acoplamento de matéria leve. Isso abre novas possibilidades não apenas para a compreensão, mas também para controlar e prever novas fases da matéria condensada. "