RAMBO dezvăluie un fenomen magnetic util pentru simularea și detectarea cuantică

Un studiu condus de Universitatea Rice găsește o formă unică de interacțiuni reglabile și ultra-congelabile spin-spin în ortoferite sub un câmp magnetic puternic. Descoperirea are implicații pentru simularea și detectarea cuantică. Credit: Ilustrație de Motoaki Bamba / Universitatea Kyoto

Unghiurile ciudate asigură o cuplare puternică

Uneori lucrurile sunt puțin sigure și se pare că exact asta ai nevoie.

Acesta a fost cazul când au apărut cristale de ortoferită într-un laborator oarecum nealiniat de la Universitatea Rice. Aceste cristale au devenit din greșeală baza unei descoperiri care ar trebui să rezoneze cu cercetătorii care studiază tehnologia cuantică bazată pe spintronică.

Fizicianul orezului Junichiro Kono, fostul student Takuma Makihara și colaboratorii săi au găsit un material ortoferrit, în acest caz oxid de fier de itriu, situat într-un câmp magnetic ridicat, care prezenta interacțiuni extrem de reglabile și extrem de intens printre magnonii de cristal.

Ortoferitele sunt cristale de oxid de fier cu adaos de unul sau mai multe elemente de pământ rar.

Magnonii sunt cvasiparticule, construcții înfricoșătoare care reprezintă excitația colectivă a rotirii electronilor într-o rețea de cristal.

Ceea ce unul are de-a face cu celălalt este baza unui studiu publicat în Nature Communications, unde Kono și echipa sa descriu o cuplare neobișnuită între doi magnoni dominați de antiresonanță, prin care ambii magnoni câștigă sau pierd energie simultan.

De obicei, atunci când două oscilatoare se combină rezonant, unul câștigă energie în detrimentul celuilalt, conservând energia totală, a spus Kono.

Dar în cuplarea antiresonantă (sau contra-rotativă), ambele oscilatoare pot câștiga sau pierde energie în același timp prin interacțiunea cu vidul cuantic, câmpul punctului zero care se prezice că va exista prin mecanica cuantică.

Gândiți-vă la asta ca la un balansoar efemer care poate fi forțat să se aplece în mijloc.

Makihara și co – autorii Kenji Hayashida din Universitatea din Hokkaido și fizicianul Motoaki Bamba de la Universitatea din Kyoto a folosit această descoperire pentru a arăta teoretic probabilitatea exprimării cuantice semnificative în starea fundamentală a sistemului cuplat magnum-magnum.

În starea comprimată, cantitatea de fluctuație sau zgomot dintr-o cantitate măsurabilă asociată cu magnonii poate fi suprimată, cu o creștere simultană a zgomotului cu o altă cantitate, a spus Kono. „Este legat de principiul incertitudinii Heisenberg în care un set de variabile este corelat, dar dacă încercați să îl măsurați cu exactitate, pierdeți informații despre cealaltă. Dacă extrageți una, incertitudinea despre cealaltă crește.

„În mod normal, pentru a crea o stare de expresie cuantică, sistemul trebuie condus puternic cu ajutorul unui fascicul laser. Dar sistemul Takuma este intrinsec comprimat; adică poate fi descris ca o stare deja stoarsă “, a spus el.” Aceasta ar putea deveni o platformă utilă pentru aplicațiile de detectare cuantică “.

Makihara a spus că starea unică se realizează cu un câmp magnetic puternic, precum cel utilizat în RMN. Câmpul aplică cuplul momentelor magnetice ale atomilor, în acest caz cele ale ortoferitei. Acest lucru îi face să se învârtă (sau să preceadă).

Acest lucru necesită un câmp puternic. Laboratorul KBO RAMBO, magnetul de orez avansat cu optică în bandă largă, este un spectrometru unic dezvoltat împreună cu fizicianul Hiroyuki Nojiri de la Universitatea Tohoku, care permite cercetătorilor să expună materiale refrigerate în apropiere. zero absolut la câmpuri magnetice puternice de până la 30 tesla în combinație cu impulsuri laser ultra-scurte.

„Am spus:„ Ce putem studia cu RAMBO? Ce fizică nouă există în acest regim unic? A spus Makihara, acum student absolvent la Universitatea Stanford. „Ortoferriții au acești magnoni care modifică până la 30 de tesle și frecvențe în regimul terahertz. Măsurile inițiale nu au fost atât de interesante.

„Dar apoi am primit cristale (crescute de fizicianul Universității din Shanghai Shixun Cao și grupul său) care nu aveau fețe perfect paralele”, a spus el. „Erau un fel de tăietură unghiulară. Și într-o zi, am încărcat cristalul în magnet la un astfel de unghi încât câmpul magnetic nu a fost aplicat de-a lungul axei cristalului.

“Ne-am așteptat ca magnitudinea magnitudinii să se miște doar cu câmpul magnetic, dar când s-a înclinat, am văzut un mic decalaj”, a spus Makihara. „Așadar, după ce am discutat această constatare cu profesorul Bamba, am comandat în mod explicit cristale care au fost tăiate la unghiuri diferite și le-am măsurat și am văzut acest grad imens de anti-încrucișare. Aceasta este semnătura unei cuplări extrem de puternice ”.

Antiresonanțele există întotdeauna în interacțiunile lumină-materie și materie-materie, dar este o prezență minoră în comparație cu interacțiunea rezonantă dominantă, au observat cercetătorii. Nu a fost cazul ortoferitelor studiate de laboratorul Kono.

Prin expunerea materialului la un câmp magnetic ridicat și înclinarea cristalului în raport cu câmpul, a fost pompată o antiresonanță care a egalat și chiar a depășit rezonanța.

Dacă sunt introduse câmpuri magnetice rotative suplimentare (de exemplu, din lumină polarizată circular), momentele de precesiune interacționează puternic cu câmpurile care se rotesc cu momentele (câmpurile co-rotative), în timp ce acestea interacționează slab cu câmpurile care se rotesc în direcții opuse (contra-rotative) câmpuri).

În teoria cuantică, a spus Bamba, aceste așa-numite interacțiuni contra-rotative conduc la interacțiuni ciudate în care atât subsistemele de lumină cât și cele de materie pot câștiga sau pierde energie în același timp. Interacțiunile dintre momentele magnetice și câmpurile contra-rotative sunt considerate antiresonante și au de obicei un efect redus. Cu toate acestea, în sistemul cuplat materie-materie studiat la Rice, interacțiunile antiresonante ar putea deveni dominante.

„Puterea interacțiunilor de rotație și contra-rotație este de obicei o constantă fixă ​​într-un sistem, iar efectele interacțiunilor de rotație domină întotdeauna cele ale interacțiunilor de rotație”, a spus Kono. „Dar acest sistem este contraintuitiv, deoarece există două forțe de cuplare independente și sunt incredibil de ajustabile prin orientarea cristalului și intensitatea câmpului magnetic. Putem crea o nouă situație în care efectele termenilor contra-rotative sunt mai dominante decât termenii co-rotativi.

„În sistemele de materie ușoară, când frecvența luminii și a materiei sunt egale, acestea se amestecă pentru a forma un polariton”, a spus el. „Ceva similar se întâmplă în cazul nostru, dar este între materie și materie. Două moduri hibrid magnon. Există o întrebare de lungă durată despre ce se întâmplă atunci când gradul de hibridizare este atât de mare încât depășește chiar energia de rezonanță.

„În cadrul acestui regim, se așteaptă să se producă fenomene exotice datorită interacțiunilor contrare rotative, inclusiv o stare de vid stors și o tranziție de fază la o nouă stare în care câmpurile statice apar spontan”, a spus el. „Și am descoperit că putem realiza aceste condiții prin ajustarea câmpului magnetic.”

Noul studiu avansează eforturile echipei Kono de a observa tranziția fazei superradiante a lui Dicke, un fenomen care ar putea crea o nouă stare a materiei exotice și ar putea duce la progrese în memoria cuantică și transducție. Laboratorul a găsit o abordare promițătoare pentru realizarea acestuia în cuplarea materie-materie în 2018, raportând descoperirea sa către Știință.

Descoperirea arată, de asemenea, că ortoferita într-un câmp magnetic ar putea servi ca simulator cuantic, un sistem cuantic simplu, foarte reglabil, care reprezintă un sistem mai complex cu un număr intratabil de particule care interacționează sau un regim de parametri inaccesibil experimental, a spus el.

Cuplarea magnon-magnon reglabilă în ortoferite poate fi utilizată pentru a furniza informații despre natura stării fundamentale a unui hibrid de materie ușoară ultracongelată și cuplată, a spus el.

Kono a declarat că descoperirile sale vor duce, de asemenea, la o căutare a mai multor materiale care să arate efectul. „Ortoferitele de pământ rar sunt o mare familie de materiale și le-am studiat doar”, a spus el.

Referință: Takuma Makihara, Kenji Hayashida, G. Timothy Noe II, Xinwei Li, Nicolas Marquez Peraca, Xiaoxuan Ma, Zuanming Jin, Wei Ren, Guohong Ma, Ikufumi Katayama, Jun Takeda, Hiroyuki Nojiri, Dmitry Turchinovich, Shixun Cao, Motoaki Bamba și Junichiro Kono, 25 mai 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23159-z

Printre coautori ai articolului se numără absolvenții Timothy Noah și Xinwei Li și studentul absolvent Nicolas Peraca de la Rice; student absolvent Xiaoxuan Ma și profesorii Guohong Ma și Wei Ren de la Universitatea din Shanghai; Profesorul Zuanming Jin de la Universitatea din Shanghai pentru știință și tehnologie; Profesor asociat Ikufumi Katayama și profesor Jun Takeda de la Universitatea Națională Yokohama, Japonia; și profesorul Dmitri Turchinovich de la Universitatea din Bielefeld, Germania. Hayashida a fost și student în vizită la Rice.

Cao și Bamba, profesori asociați la Universitatea Kyoto și la Agenția de Știință și Tehnologie din Japonia, Saitama, sunt autorii corespunzători ai articolului. Kono este profesor de inginerie al lui Karl F. Hasselmann și profesor de inginerie electrică și computerizată, fizică și astronomie și știința materialelor și nanoinginerie.

Fundația Națională pentru Științe, Biroul de Cercetare al Armatei și Fundația Națională pentru Științe Naturale din China au susținut cercetarea.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.