Ang Ultra Cool Atoms ay Nagpakita ng isang Nakakagulat na Bagong Quantum Magnetic na Pag-uugali

Pinag-aralan ng mga mananaliksik ng MIT at Harvard kung paano ang pangunahing mga yunit ng pang-akit, na tinatawag na mga pag-ikot (itim na mga arrow), lumipat sa isang solong kadena ng mga atom (may kulay na mga sphere) at nakikipag-ugnay sa iba pang mga pag-ikot. Ipinapakita ng background ang isang tunay na imahe ng mga pag-ikot, na inilalantad ang mataas na kaibahan pana-panahon na pagbago ng mga asul (umikot) na mga atom. Kredito: Sa kabutihang loob ng mga mananaliksik

Ang mga natuklasan ay maaaring makatulong sa mga mananaliksik na magdisenyo ng mga “spintronic” na aparato at mga bagong materyal na pang-magnetiko.

Ang isang bagong gawain ay nagha-highlight ng nakakagulat na koreograpia sa pagitan ng umiikot na mga atomo. Sa isang artikulong lumilitaw sa magazine Kalikasanmananaliksik MAY at Harvard University ay nagpapakita kung paano ang mga puwersang pang-magnetiko sa kabuuan, antas ng atomiko ay nakakaapekto sa kung paano ididirekta ng mga atom ang kanilang pagikot.

Sa mga eksperimento sa mga ultra-cold lithium atoms, napagmasdan ng mga mananaliksik na ang mga pag-ikot ng mga atomo ay nagbago sa iba’t ibang paraan. Tulad ng tippy ballerinas na umiikot na patayo na posisyon, ang umiikot na mga atomo ay bumalik sa orientation ng balanse dahil sa mga puwersang pang-magnetiko sa pagitan ng mga indibidwal na atomo. Halimbawa, ang mga atomo ay maaaring bumalik sa balanse sa isang napakabilis, “ballistic” na fashion, o sa isang mas mabagal, mas kalat na paraan.

Natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga pag-uugaling ito, hanggang ngayon ay hindi napapanood, ay maaaring mailarawan sa matematikal sa modelo ng Heisenberg, isang hanay ng mga equation na karaniwang ginagamit upang mahulaan ang pag-uugali ng magnetiko. Inihayag ng kanilang mga resulta ang iba’t ibang pag-uugali sa isa sa pinakasimpleng magnetikong materyales, isinasaalang-alang ang pangunahing katangian ng pang-akit.

Ang advanced na pag-unawa sa magnetism na ito ay maaaring makatulong sa mga inhinyero na magdisenyo ng mga “spintronic” na aparato na nagpapadala, nagpoproseso, at nag-iimbak ng impormasyon gamit ang pagikot ng mga particle ng kabuuan kaysa sa daloy ng elektron.

“Sa pag-aaral ng isa sa pinakasimpleng mga materyal na pang-magnetiko, nabuo namin ang pag-unawa sa magnetismo,” sabi ni Wolfgang Ketterle, isang propesor ng pisika na John D. Arthur sa MIT at pinuno ng koponan ng MIT. Kapag nakakita ka ng mga bagong kababalaghan sa isa sa pinakasimpleng modelo ng pang-akit sa pisika, mayroon kang isang pagkakataon na ganap na ilarawan at maunawaan ito. Ito ang nakakakuha sa akin sa kama at nasasabik sa umaga. “

Ang mga kapwa may-akda ni Ketterle ay sina Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, mag-aaral na postdoctoral na si Wen Wei Ho sa Harvard University at Stanford University, at propesor ng pisika na si Eugene Demler, kasama ang mag-aaral na nagtapos ng MIT at nangungunang may-akda na si Paul Niklas Jepsen. Sa Harvard. Ang lahat sa kanila ay mga mananaliksik sa MIT-Harvard Ultracold Center for Atoms. Ang koponan ng MIT ay kaanib sa Kagawaran ng Physics ng Institute at Laboratoryong Elektronika sa Pananaliksik.

Ibalik ang mga string

Ang quantum spin ay isinasaalang-alang bilang microscopic unit ng magnetism. Sa isang sukat na kabuuan, ang mga atomo ay maaaring paikutin nang pakaliwa o pakaliwa, na nagbibigay sa kanila ng direksyon tulad ng isang karayom ​​ng kumpas. Sa mga materyal na pang-magnetiko, ang pag-ikot ng maraming mga atomo ay maaaring magpakita ng iba’t ibang mga phenomena, kabilang ang mga estado ng balanse. atomo Ang mga pag-ikot ay nakahanay at pabago-bagong pag-uugali kung saan ang mga pag-ikot sa maraming mga atom ay katulad ng isang pattern na tulad ng alon.

Ito ang huling modelo na pinag-aralan ng mga mananaliksik. Ang dynamics ng alternating pattern ng pag-ikot ay napaka-sensitibo sa mga puwersang pang-magnetic sa pagitan ng mga atomo. Ang kulot na pattern ay nawala nang mas mabilis para sa mga isotropic magnetic force kaysa sa mga pwersang anisotropic. (Ang mga pwersang Isotropic ay hindi nakasalalay sa kung paano nakadirekta ang lahat ng pagliko sa kalawakan).

Nilalayon ng pangkat ni Ketterle na pag-aralan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito sa isang eksperimento kung saan ginamit nila sa kauna-unahang pagkakataon na itinatag ang mga diskarte sa paglamig ng laser upang mabawasan ang mga atomo ng lithium sa humigit-kumulang na 50 nanokelvins (10 milyong beses na mas malamig kaysa sa interstellar space).

Sa sobrang lamig na temperatura, ang mga atomo ay nagyeyelong halos huminto, kaya’t ang mga mananaliksik ay maaaring makita nang detalyado ang anumang mga magnetikong epekto na sa kabilang banda ay ma-mask ng thermal na paggalaw ng mga atomo. Gumamit ang mga mananaliksik ng isang laser system upang makuha at ayusin ang maraming mga string, bawat isa ay may 40 atom, bawat isa ay tulad ng mga kuwintas sa isang string. Sa kabuuan, bumuo sila ng isang sala-sala ng halos 1,000 arrays na naglalaman ng halos 40,000 mga atomo.

“Maaari mong isipin ang mga laser bilang sipit na nakakakuha ng mga atom, at kung mas uminit sila, tatakbo sila,” paliwanag ni Jepsen.

Susunod, inilapat nila ang isang pattern ng mga alon ng radyo at isang pulsed na puwersang magnetiko sa buong sala-sala, na hinihimok ang bawat atom na yumuko sa isang spiral (o kulot) na pattern sa kahabaan ng lubid. Ang mga pattern na tulad ng alon ng mga string na ito ay magkakasama tumutugma sa pana-panahong density ng modulasyon ng “spin up” na mga atom na bumubuo ng isang pattern ng linya na maaaring tingnan ng mga mananaliksik sa isang detector. Pinanood nila kung paano mawala ang mga pattern ng guhit habang ang mga indibidwal na pagliko ng mga atomo ay papalapit sa kanilang estado ng balanse.

Sa ketter, inihambing niya ang eksperimento sa pag-rip ng isang string ng gitara. Kung titingnan ng mga mananaliksik ang mga pag-ikot ng mga atomo sa balanse, hindi nito masasabi sa kanila ang tungkol sa mga puwersang pang-magnetiko sa pagitan ng mga atomo, tulad ng isang matatag na string ng gitara ay hindi nagsiwalat ng tungkol sa mga pisikal na katangian. Sa pamamagitan ng pagwawasak ng lubid, hindi pagbalanse nito, at nakikita kung paano ito nag-vibrate at kalaunan ay bumalik sa kanyang orihinal na estado, isang bagay na pangunahing maaaring malaman tungkol sa mga pisikal na katangian ng lubid.

“Ang ginagawa namin dito ay sinisira ang ilang uri ng pagkakasunud-sunod ng pagliko. Inilalagay namin ang pattern na ito ng spiral at pagkatapos ay sinusunod kung paano kumilos ang pattern na ito bilang isang pagpapaandar ng oras,” sabi ni Ketterle. “Pinapayagan kaming makita ang epekto ng iba’t ibang mga puwersang pang-magnetiko sa pagitan ng mga pagliko.”

Ballistics at tinta

Sa kanilang mga eksperimento, binago ng mga mananaliksik ang lakas ng pulsed magnetic force na inilapat nila upang mabago ang lapad ng mga hibla sa mga pattern ng atomic spin. Sinukat nila kung gaano kabilis at sa kung anong mga paraan kumupas ang mga pattern. Napansin nilang kapansin-pansin ang magkakaibang pag-uugali kung paano bumalik ang balanse ng dami sa balanse, depende sa likas na katangian ng mga puwersang pang-magnetiko sa pagitan ng mga atomo.

Natuklasan nila ang isang paglipat sa pagitan ng pag-uugali ng ballistic, kung saan ang mga pag-ikot ay mabilis na bumalik sa isang estado ng balanse, at ang pagkalat na pag-uugali, kung saan ang mga liko ay kumalat nang mas pantay, at ang pangkalahatang pattern ng strip ay dahan-dahang kumakalat pabalik sa balanse tulad ng isang patak ng tinta na dahan-dahang natutunaw sa tubig.

Ang ilan sa mga pag-uugali na ito ay hinulaan nang teoretikal, ngunit hindi pa napapanood nang detalyado hanggang ngayon. Ang ilang iba pang mga resulta ay ganap na hindi inaasahan. Bukod dito, natuklasan ng mga mananaliksik na ang kanilang mga obserbasyon na matematikal na tumutugma sa kinakalkula nila sa modelo ng Heisenberg para sa kanilang mga pang-eksperimentong mga parameter. Nakipagtulungan sila sa mga theorist sa Harvard na gumawa ng mga kalkulasyon ng pinakamataas na dynamics ng pag-ikot.

“Nakatutuwang makita na may mga pag-aari na madaling sukatin ngunit mahirap kalkulahin, at ang iba pang mga pag-aari ay maaaring kalkulahin ngunit hindi,” sabi ni Ho.

Bilang karagdagan sa panimulaang pagsusulong ng pag-unawa sa magnetismo, ang mga resulta ng koponan ay maaaring magamit upang tuklasin ang mga katangian ng mga bagong materyales bilang isang uri ng quantum simulator. Ang ganitong platform ay maaaring gumana tulad ng isang espesyal na layunin na kabuuan ng computer na kinakalkula ang pag-uugali ng mga materyales sa mga paraan na lumampas sa mga kakayahan ng pinaka-makapangyarihang computer ngayon.

“Sa kabila ng lahat ng kaguluhan na magagamit tungkol sa pangako ng agham ng impormasyong pang-impormasyon na malulutas ang mga praktikal na problema sa hinaharap, mahusay na makita ang gayong gawain na talagang magbabayad ngayon,” sabi ni John Gillaspy, opisyal ng programa sa Kagawaran ng Physics. National Science Foundation, fundraiser ng pagsasaliksik.

Sanggunian: “Spin transfer sa isang naaayos na modelo ng Heisenberg na may mga sobrang malamig na atomo” nina Paul Niklas Jepsen, Jesse Amato-Grill, Ivana Dimitrova, Wen Wei Ho, Eugene Demler at Wolfgang Ketterle, Disyembre 16, 2020, Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3033-y

Ang pananaliksik ay suportado din ng Kagawaran ng Depensa at ng Gordon at Betty Moore Foundation.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang paglulunsad ng NASA Walnops rocket ay makikita sa East America

Mapa ng visibility ng Kinnet-X. Kredito: NASA A. Mission upang tuklasin ang transportasyon sa kalawakan gamit ang enerhiya a NASA Ang rocket na tunog...

Bakit kaya mahirap magamot ang COVID-19? Isang Komprehensibong Pagsuri sa Alam Namin

Lumalagong Mga Punto ng Katibayan ng Hindi Karaniwang Nakakahawang Profile Isang komprehensibong pagsusuri ng alam namin COVID-19 at kung paano ito gumagana ay nagmumungkahi na...

Nakikita ng NASA ang mga alon sa ibabaw ng dagat [Video]

Ang mga alon sa loob, o mga papasok na alon, ay maaaring umabot ng daan-daang mga paa sa ibaba ng ibabaw ng karagatan, ngunit...

Mga Kamangha-manghang Dinosauro na Naghahanap ng Kadiliman

Muling pagbuo ng Shuvuuia deserti artist. Kredito: Viktor Radermaker Ang maliit na dinosauro na nakatira sa disyerto ng Shuvuuia ay may natatanging paningin at...

Ang “Molecular glue” ay nagdaragdag ng kahusayan at ginagawang mas maaasahan ang pereskite solar cells sa paglipas ng panahon

Ginamit ng mga mananaliksik ang self-assemble na solong-layer na "molekular na pandikit" upang patigasin ang mga interface sa pereskite solar cells upang gawing mas...

Newsletter

Subscribe to stay updated.