Um novo estudo ilumina uma coreografia surpreendente entre átomos girando. Em um artigo publicado no jornal Natureza , pesquisadores do MIT e da Universidade de Harvard revelam como as forças magnéticas no quantum, a escala atômica afeta como os átomos orientam seus spins.

Em experimentos com átomos de lítio ultracold, os pesquisadores observaram diferentes maneiras em que os spins dos átomos evoluem. Como bailarinas girando de volta para a posição vertical, os átomos girando retornam a uma orientação de equilíbrio de uma forma que depende das forças magnéticas entre os átomos individuais. Por exemplo, os átomos podem girar em equilíbrio de uma forma extremamente rápida, "balística" ou de forma mais lenta, padrão mais difuso.

Os pesquisadores descobriram que esses comportamentos, que não tinha sido observado até agora, poderia ser descrito matematicamente pelo modelo de Heisenberg, um conjunto de equações comumente usadas para prever o comportamento magnético. Seus resultados abordam a natureza fundamental do magnetismo, revelando uma diversidade de comportamento em um dos materiais magnéticos mais simples.

Essa compreensão aprimorada do magnetismo pode ajudar os engenheiros a projetar dispositivos "spintrônicos", que transmitem, processo, e armazenar informações usando o spin das partículas quânticas em vez do fluxo de elétrons.

"Estudando um dos materiais magnéticos mais simples, avançamos na compreensão do magnetismo, "diz Wolfgang Ketterle, o professor de física John D. Arthur do MIT e o líder da equipe do MIT. "Quando você encontra novos fenômenos em um dos modelos mais simples da física para o magnetismo, então você tem a chance de descrevê-lo totalmente e entendê-lo. Isso é o que me tira da cama de manhã, e me deixa animado. "

Os co-autores de Ketterle são estudante de pós-graduação do MIT e autor principal Paul Niklas Jepsen, junto com Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, ambos pós-doutorandos do MIT, Wen Wei Ho, um pós-doutorado na Harvard University e na Stanford University, e Eugene Demler, professor de física em Harvard. Todos são pesquisadores do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. A equipe do MIT é afiliada ao Departamento de Física e Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do Instituto.

Cordas de giros

O spin quântico é considerado a unidade microscópica do magnetismo. Na escala quântica, átomos podem girar no sentido horário ou anti-horário, que lhes dá uma orientação, como uma agulha de bússola. Em materiais magnéticos, o spin de muitos átomos pode mostrar uma variedade de fenômenos, incluindo estados de equilíbrio, onde os spins do átomo estão alinhados, e comportamento dinâmico, onde os spins em muitos átomos se assemelham a um padrão de onda.

É este último padrão que foi estudado pelos pesquisadores. A dinâmica do padrão de rotação em forma de onda é muito sensível às forças magnéticas entre os átomos. O padrão ondulado desapareceu muito mais rápido para forças magnéticas isotrópicas do que para forças anisotrópicas. (As forças isotrópicas não dependem de como todos os spins são orientados no espaço).

O grupo de Ketterle teve como objetivo estudar esse fenômeno com um experimento no qual eles primeiro usaram técnicas estabelecidas de resfriamento a laser para reduzir os átomos de lítio a cerca de 50 nanokelvin - mais de 10 milhões de vezes mais frio do que o espaço interestelar.

Em tais temperaturas ultracold, átomos estão congelados e quase paralisados, para que os pesquisadores possam ver em detalhes quaisquer efeitos magnéticos que, de outra forma, seriam mascarados pelo movimento térmico dos átomos. Os pesquisadores então usaram um sistema de lasers para capturar e organizar várias cordas com 40 átomos cada, como contas em um cordão. Em tudo, eles geraram uma rede de cerca de 1, 000 cordas, compreendendo cerca de 40, 000 átomos.

"Você pode pensar nos lasers como pinças que agarram os átomos, e se eles estivessem mais quentes eles escapariam, "Jepsen explica.

Eles então aplicaram um padrão de ondas de rádio e uma força magnética pulsada a toda a rede, que induziu cada átomo ao longo da corda a inclinar sua rotação em um padrão helicoidal (ou ondulatório). Os padrões de onda dessas cordas juntas correspondem a uma modulação de densidade periódica dos átomos "spin up" que formam um padrão de listras, que os pesquisadores puderam obter imagens em um detector. Eles então observaram como os padrões de listras desapareciam à medida que os spins individuais dos átomos se aproximavam de seu estado de equilíbrio.

Ketterle compara o experimento a dedilhar a corda de um violão. Se os pesquisadores olhassem para os spins dos átomos em equilíbrio, isso não lhes diria muito sobre as forças magnéticas entre os átomos, assim como uma corda de violão em repouso não revelaria muito sobre suas propriedades físicas. Arrancando a corda, trazendo-o fora do equilíbrio, e ver como ele vibra e eventualmente retorna ao seu estado original, pode-se aprender algo fundamental sobre as propriedades físicas da corda.

"O que estamos fazendo aqui é, estamos meio que puxando a corda de giros. Estamos colocando este padrão de hélice, e então observar como esse padrão se comporta em função do tempo, "Ketterle diz." Isso nos permite ver o efeito de diferentes forças magnéticas entre os spins. "

Balística e tinta

Em seu experimento, os pesquisadores alteraram a força da força magnética pulsada que aplicaram, para variar a largura das listras nos padrões de rotação atômica. Eles mediram a rapidez, e de que maneiras, os padrões desbotaram. Dependendo da natureza das forças magnéticas entre os átomos, eles observaram um comportamento notavelmente diferente em como os spins quânticos voltaram ao equilíbrio.

Eles descobriram uma transição entre o comportamento balístico, onde os giros voltam rapidamente para um estado de equilíbrio, e comportamento difusivo, onde os spins se propagam de forma mais errática, e o padrão de faixa geral se espalhou lentamente de volta ao equilíbrio, como uma gota de tinta se dissolvendo lentamente na água.

Parte desse comportamento foi teoricamente previsto, mas nunca observado em detalhes até agora. Alguns outros resultados foram completamente inesperados. O que mais, os pesquisadores descobriram que suas observações se ajustam matematicamente ao que calcularam com o modelo de Heisenberg para seus parâmetros experimentais. Eles se juntaram a teóricos de Harvard, que realizou cálculos de última geração da dinâmica do spin.

"Foi interessante ver que havia propriedades fáceis de medir, mas difícil de calcular, e outras propriedades podem ser calculadas, mas não medido, "Ho diz.

Além de avançar na compreensão do magnetismo em um nível fundamental, os resultados da equipe podem ser usados ​​para explorar as propriedades de novos materiais, como uma espécie de simulador quântico. Essa plataforma poderia funcionar como um computador quântico de propósito especial que calcula o comportamento dos materiais, de uma forma que excede as capacidades dos computadores mais poderosos de hoje.

"Com todo o entusiasmo atual sobre a promessa da ciência da informação quântica de resolver problemas práticos no futuro, é ótimo ver um trabalho como este realmente se concretizando hoje, "diz John Gillaspy, oficial do programa na Divisão de Física da National Science Foundation, um financiador da pesquisa.