Американські фізики з Гарвардського університету знайшли новий спосіб моделювання магнітних взаємодій за допомогою ультрахолодних атомів, поміщених в оптичну грати.

Вигадувати варіанти імітації магнітних матеріалів вчених змушує те, що сучасні комп'ютери не справляються з розрахунком властивостей речовини в області квантових фазових переходів: «заплутування» входять в систему спінів робить завдання занадто складною. Застосувати її рішення, коли воно буде знайдено, можна в самих різних областях фізики – наприклад, в спінтроніці і теорії високотемпературної надпровідності.

Ансамбль ультрахолодних атомів являє собою дуже зручну модельну систему. Вона піддається розрахунку, і управляти взаємодіями її елементів досить легко, не вистачає тільки експериментальної схеми, яка дозволила б провести аналогію між атомами і квантовими спинами.

Червоним тут позначені атоми в оптичній решітці, а синім виділена область тунелювання. Зліва показано стан парамагнетика, в якому тунелювання заборонено, у центрі – початок переходу до антиферомагнітному порядку; праворуч – усталене стан антиферомагнетиках. Зверху розташовані відповідні ланцюжки спінів. (Ілюстрація з журналу Nature.)

У своєму досвіді автори використовували атоми рубідію 87Rb, охолоджені до 100 ПК і що знаходяться в двовимірної оптичної решітці з періодом в 680 нм. Варто нагадати, що грати утворюється в результаті інтерференції лазерних променів, які створюють потенційні ями, розташовані впорядковано. Охолоджені нейтральні атоми займають свої місця в мінімумах потенціалу, причому частинки – у загальному випадку – можуть за рахунок тунельного ефекту переміщатися в сусідні клітинки. Якщо ж тунелювання енергетично заборонено, можна вважати, що система знаходиться в стані ізолятора Мотта, і в кожній клітинці решітки розташовується один атом. Подібна конфігурація була задана на початку експерименту.

Після того як атоми зайняли вихідні позиції, вчені створили умови для тунелювання, «нахиливши» (див. рис. Вище) грати з використанням градієнта прикладеного магнітного поля. У результаті двовимірна решітка розпадалася на окремі ланцюжки, в межах яких частинки і переміщалися з однієї комірки в іншу. При цьому тунелювати в сусідню клітинку атом міг тільки в тому випадку, якщо що знаходиться там атом раніше не покинув її, якщо таке обмеження веде до появи «заплутаних» станів.

Змінюючи зовнішнє поле, можна домогтися того, що кожна друга осередок буде містити по два атоми. Інші позиції, природно, виявляться вільними.

Пов'язати це з мамагнітних характеристиками речовини досить просто: потрібно представити, що атом, який не міняв вихідне положення, відповідає спину «нагору», а тунельованого атом – спину «вниз». Тоді початкова позиція буде відповідати спинах в парамагнетик, які орієнтуються по зовнішньому полю, а змінена розстановка атомів – антиферомагнітному порядку магнітних моментів. Згадане вище обмеження не дозволяє двом сусіднім спинах перебувати в положенні «вниз», реалізуючи спін-спіновий взаємодію.

У майбутньому автори планують з'ясувати, як ця система реагує на збурення. «Ми хочемо« перевернути »один спін і подивитися, що вийде», – пояснює керівник дослідження Маркус Грайнер (Markus Greiner).

За матеріалами: Physicsworld.Com

Tweet

Заможні регіони: Для чого насправді Потрібні вибори?