超冷原子揭示了令人惊讶的新型量子磁行为

麻省理工学院和哈佛大学的研究人员研究了被称为自旋（黑色箭头）的基本磁性单位如何在单原子链（彩色球体）中移动并与其他自旋相互作用。背景显示了自旋的真实图像，揭示了蓝色（自旋）原子的高对比度周期性调制。

这些发现可能有助于研究人员设计“自旋电子”设备和新型磁性材料。

一项新的研究阐明了旋转原子之间令人惊讶的编排。在自然杂志上发表的一篇论文中，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员揭示了量子，原子尺度上的磁力如何影响原子如何定向其自旋。

在超冷锂原子的实验中，研究人员观察了原子自旋演化的不同方式。就像尖尖的芭蕾舞演员回到正立位置一样，旋转的原子以依赖于单个原子之间的磁力的方式返回到平衡方向。例如，原子可以以极快的“弹道”方式或以更慢，更弥散的模式旋转成平衡。

研究人员发现，这些行为直到现在还没有发现，可以用Heisenberg模型进行数学描述，Heisenberg模型是一组通常用于预测磁行为的方程式。他们的研究结果说明了磁性的基本性质，揭示了一种最简单的磁性材料的行为特性。

对磁场的这种更好的理解可以帮助工程师设计“自旋电子”设备，该设备使用量子粒子的自旋而不是电子流来传输，处理和存储信息。

“研究最简单的磁性材料之一，我们已经对磁性有了更深的了解，”麻省理工学院的约翰·D·阿瑟（John D. Arthur）物理学教授，麻省理工学院（MIT）小组负责人沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）说。“当您在物理学中最简单的磁性模型中发现新现象时，就有机会全面描述和理解它。这就是让我早上起床并使我兴奋的原因。”

Ketterle的合著者是MIT的研究生和主要作者Paul Niklas Jepsen，以及Jesse-Amato Grill，Ivana Dimitrova，麻省理工学院的博士后，哈佛大学和斯坦福大学的博士后Wen Wei Ho以及物理学教授Eugene Demler在哈佛。所有这些都是麻省理工学院哈佛超冷原子中心的研究人员。麻省理工学院的团队隶属于研究所的物理系和电子研究实验室。

旋转弦

量子自旋被认为是磁性的微观单位。在量子尺度上，原子可以顺时针或逆时针旋转，这使它们具有像指南针一样的方向。在磁性材料中，许多原子的自旋会显示出多种现象，包括平衡状态（其中原子自旋对齐）和动态行为（其中许多原子上的自旋类似于波状图案）。

后一种模式是研究人员研究的。波浪形自旋模式的动力学对原子之间的磁力非常敏感。对于各向同性磁力而言，波浪形图案的消失速度比对各向异性力而言要快得多。（各向同性的力并不取决于所有自旋如何在空间中定向）。

凯特尔（Ketterle）的小组旨在通过一项实验研究这种现象，他们首先使用成熟的激光冷却技术将锂原子降低至约50纳开尔文，这比星际空间的温度低1000万倍。

在这样的超冷温度下，原子被冻结到接近静止状态，因此研究人员可以详细看到原本会被原子的热运动所掩盖的任何磁效应。然后，研究人员使用激光系统捕获并排列了多个具有40个原子的字符串，就像字符串上的珠子一样。总之，它们产生了约1,000个字符串的晶格，包含约40,000个原子。

杰普森解释说：“您可以将激光看作是镊子，它们抓住原子，如果它们变暖，它们就会逸出。”

然后，他们向整个晶格施加无线电波和脉冲磁力模式，这会导致沿字符串的每个原子将其自旋倾斜为螺旋（或波状）模式。这些弦的波浪状图案一起对应于“自旋”原子的周期性密度调制，该周期性密度调制形成条纹图案，研究人员可以在探测器上成像。然后，他们观察到条纹的图案在原子的自旋接近平衡状态时是如何消失的。

凯特勒将实验与拔吉他弦进行了比较。如果研究人员要研究处于平衡状态的原子的自旋，就不会告诉他们太多关于原子之间的磁力的作用，就像静止的吉他弦不会揭示其物理性质一样。通过拔出琴弦，使琴弦失去平衡，并观察琴弦如何振动并最终返回其原始状态，人们可以了解琴弦的物理特性的一些基本知识。

“我们在这里正在做的是，我们正在摘掉一连串的旋转信号。我们放入了这种螺旋模式，然后观察这种模式是如何随时间变化的。” Ketterle说。“这使我们能够看到自旋之间不同磁力的影响。”

弹道和墨水

在他们的实验中，研究人员改变了他们施加的脉冲磁力的强度，以改变原子自旋图案中条纹的宽度。他们测量了图案消失的速度和速度。根据原子之间磁力的性质，他们观察到量子自旋如何恢复平衡的惊人变化。

他们发现了弹道行为和自发扩散行为之间的过渡，在弹道行为中，自旋迅速弹回平衡状态，在自发扩散中，自旋更不规则地传播，整个条纹图案缓慢扩散回到平衡状态，就像墨滴在水中缓慢溶解一样。

从理论上已经预测了这种行为的一部分，但是直到现在还没有详细观察到。其他一些结果是完全出乎意料的。此外，研究人员发现他们的观察结果在数学上与他们使用海森堡模型计算得出的实验参数相符。他们与哈佛大学的理论家合作，后者对自旋动力学进行了最先进的计算。

Ho说：“有趣的是，有些属性易于测量，但难以计算，而其他属性可以计算，但无法测量。”

除了从根本上增进对磁性的理解外，该团队的结果还可以用作一种量子模拟器，用于探索新材料的特性。这样的平台可以像用于计算材料行为的专用量子计算机那样工作，其方式超出了当今最强大的计算机的功能。

“鉴于目前对量子信息科学有望解决未来实际问题的所有兴奋，今天很高兴看到这样的工作在今天取得了成果，”美国物理学会物理项目主任约翰·吉拉斯皮（John Gillaspy）说。国家科学基金会，该研究的资助人。

参考：Paul Niklas Jepsen，Jesse Amato-Grill，Ivana Dimitrova，Wen Wei Ho，Eugene Demler和Wolfgang Ketterle撰写的“以超冷原子实现的可调谐海森堡模型中的自旋运输”，Nature.DOI：
10.1038 / s41586-020-3033-y

这项研究还得到了国防部以及戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。