As moléculas de Rydberg são moléculas gigantes compostas por dezenas ou centenas de átomos ligados a um átomo de Rydberg. Estas moléculas têm um dipolo permanente (isto é, um par de pólos opostamente carregados ou magnetizados), como um de seus átomos está em um estado altamente excitado.

Os físicos têm estudado as moléculas de Rydberg tanto teórica quanto experimentalmente há vários anos. A maioria dos estudos que investigam essas moléculas, Contudo, focaram apenas em situações que não envolvem spins quânticos, já que a natureza de muitos corpos das moléculas de Rydberg torna a análise de sua dinâmica de spin particularmente desafiadora.

Em um estudo teórico recente, pesquisadores da Universidade de Tóquio, a Academia Chinesa de Ciências, O Instituto Max Planck e a Universidade de Harvard conseguiram capturar a interação da dinâmica de spin do elétron-Rydberg e o movimento orbital dos átomos usando um novo método que combina uma transformação de desacoplamento de impurezas com um ansatz gaussiano. Seus papéis, publicado em Cartas de revisão física e Revisão Física A , apresentar um novo modelo teórico que também poderia ser aplicado a outros problemas quânticos de muitos corpos.

"A análise da dinâmica do spin em moléculas de Rydberg continua sendo um problema desafiador devido à sua natureza inerente de muitos corpos, "Yuto Ashida, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "O principal objetivo da nossa pesquisa foi resolver este problema, avançando nossa compreensão da dinâmica de spin fora de equilíbrio em gases Rydberg spinful. "

O principal desafio na investigação da dinâmica de spin fora do equilíbrio em gases Rydberg spinful é que os físicos devem levar em consideração o movimento orbital dos átomos e o emaranhamento impureza-ambiente mediado através do acoplamento de ultralongo alcance simultaneamente. Até agora, isso tornou a captura da dinâmica de spin das moléculas de Rydberg muito difícil.

"Para o melhor de nosso conhecimento, não há abordagem teórica aplicável a este novo tipo de problema quântico de muitos corpos, "Ashida explicou." Esta é a razão pela qual desenvolvemos uma nova abordagem variacional aplicável para resolver um tipo genérico de problema de impureza quântica bosônica. "

A nova abordagem teórica introduzida por Ashida e seus colegas é baseada em uma ideia chamada "transformação canônica desemaranhada, "que foi apresentado pela mesma equipe de pesquisa em um artigo anterior, também publicado em PRL . A transformação canônica de desemaranhamento utiliza a simetria de paridade para desacoplar completamente os graus de liberdade de impureza e ambiente, o que, em última análise, permite aos pesquisadores superar os problemas associados à captura da dinâmica de spin em gases Rydberg de uma forma muito eficiente.

O método variacional que Ashida e seus colegas usaram para capturar a interação da dinâmica de spin do elétron-Rydberg e o movimento orbital dos átomos nas moléculas de Rydberg combina a transformação canônica de desemaranhamento com um ansatz gaussiano para o banho de partículas. Este método permitiu aos pesquisadores desvendar várias características que não estão presentes nos problemas tradicionais de impureza.

Uma dessas características é a renormalização induzida por interação do espectro de absorção, que foge de explicações simples de estados de ligação molecular. Usando seu método variacional, os pesquisadores também foram capazes de observar oscilações de longa duração do spin do elétron de Rydberg.

"A descoberta mais interessante de nosso estudo foi que a dinâmica da precessão do spin tem uma vida útil inesperadamente longa, apesar da natureza não integrável do presente problema de interação de muitos corpos, "Ashida disse." Nós interpretamos esse recurso como um resquício da integrabilidade do chamado problema de spin central, que pode ser obtido se tomarmos o limite de massa infinita em nosso modelo. "

A observação de que a dinâmica de precessão de spin em moléculas de Rydberg tem uma duração surpreendentemente longa pode ter implicações para vários subcampos da física, incluindo atômico, física molecular e óptica (AMO). Na verdade, a presença de relaxamento e termalização em sistemas complexos de muitos corpos ainda é uma área de pesquisa ativa tanto na física AMO quanto na física estatística.

No futuro, o modelo variacional desenvolvido pelos pesquisadores e as análises que eles conduziram também poderiam ser aplicados a outros sistemas em física atômica e química quântica. Isso é especialmente verdadeiro para sistemas nos quais uma excitação de elétrons de um número quântico orbital alto interage com um banho quântico spinful.

"Em nossos próximos estudos, gostaríamos de estender ainda mais nosso modelo para incluir o momento angular diferente de zero do elétron de Rydberg, "Ashida disse." Outras questões de pesquisa em aberto incluem a generalização de nosso problema para banho fermiônico, aplicação de nossa abordagem variacional geral para outros problemas desafiadores de impureza quântica. Esperamos que nossos estudos estimulem pesquisas adicionais nessas direções. "

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