درس باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد كيف تتحرك الوحدات الأولية للمغناطيسية ، المسماة السبينات (الأسهم السوداء) ، وتتفاعل مع السبينات الأخرى ، في سلسلة من الذرات المفردة (الكرات الملونة). تُظهر الخلفية صورة حقيقية للدوران ، وتكشف عن تعديل دوري عالي التباين للذرات الزرقاء (تدور لأعلى). الائتمان: بإذن من الباحثين
قد تساعد النتائج الباحثين في تصميم أجهزة “spintronic” ومواد مغناطيسية جديدة.
دراسة جديدة تسلط الضوء على تصميم الرقصات المفاجئ بين ذرات الغزل. في ورقة تظهر في المجلة طبيعةوالباحثين من مع وكشفت جامعة هارفارد كيف تؤثر القوى المغناطيسية على المقياس الكمي الذري على كيفية توجيه الذرات لدورانها.
في التجارب التي أجريت على ذرات الليثيوم شديدة البرودة ، لاحظ الباحثون طرقًا مختلفة تتطور بها س theينات الذرات. مثل راقصات الباليه الرشيقة التي تعود إلى المواضع المستقيمة ، تعود الذرات الدوارة إلى اتجاه التوازن بطريقة تعتمد على القوى المغناطيسية بين الذرات الفردية. على سبيل المثال ، يمكن للذرات أن تدور في حالة توازن بطريقة “باليستية” سريعة للغاية أو في نمط أبطأ وأكثر انتشارًا.
وجد الباحثون أن هذه السلوكيات ، التي لم يتم ملاحظتها حتى الآن ، يمكن وصفها رياضيًا من خلال نموذج هايزنبرغ ، وهي مجموعة من المعادلات تستخدم عادة للتنبؤ بالسلوك المغناطيسي. تتناول نتائجهم الطبيعة الأساسية للمغناطيسية ، وكشف عن تنوع السلوك في واحدة من أبسط المواد المغناطيسية.
قد يساعد هذا الفهم المحسن للمغناطيسية المهندسين على تصميم أجهزة “spintronic” ، والتي تنقل المعلومات وتعالجها وتخزنها باستخدام دوران الجسيمات الكمومية بدلاً من تدفق الإلكترونات.
يقول ولفجانج كيترل ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ورئيس فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ولفغانغ كيتيرل: “بدراسة واحدة من أبسط المواد المغناطيسية ، قمنا بتطوير فهم المغناطيسية”. “عندما تجد ظواهر جديدة في واحد من أبسط النماذج في الفيزياء للمغناطيسية ، عندها يكون لديك فرصة لوصفها وفهمها بشكل كامل. هذا ما يخرجني من سريري في الصباح ، ويجعلني متحمسًا “.
المؤلفون المشاركون في كيتيرل هم طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي بول نيكلاس جيبسن ، جنبًا إلى جنب مع جيسي أماتو جريل ، وإيفانا ديميتروفا ، وكلاهما باحثان ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ووين وي هو ، باحث ما بعد الدكتوراة في جامعة هارفارد وجامعة ستانفورد ، ويوجين ديملر ، أستاذ الفيزياء في هارفارد. جميعهم باحثون في مركز MIT-Harvard للذرات فائقة البرودة. ينتمي فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى قسم الفيزياء ومختبر أبحاث الإلكترونيات بالمعهد.
أوتار تدور
يعتبر الدوران الكمي الوحدة المجهرية للمغناطيسية. على المقياس الكمي ، يمكن للذرات أن تدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة ، مما يعطيها اتجاهًا ، مثل إبرة البوصلة. في المواد المغناطيسية ، يمكن أن يُظهر دوران العديد من الذرات مجموعة متنوعة من الظواهر ، بما في ذلك حالات التوازن ، أين ذرة يتم محاذاة السبينات ، والسلوك الديناميكي ، حيث تشبه الدورات عبر العديد من الذرات نمطًا يشبه الموجة.
هذا هو النمط الأخير الذي درسه الباحثون. إن ديناميكيات نمط السبين الموجي حساسة للغاية للقوى المغناطيسية بين الذرات. تلاشى النمط المتموج بشكل أسرع بكثير بالنسبة للقوى المغناطيسية المتناحية مقارنة بالقوى متباينة الخواص. (لا تعتمد قوى الخواص على كيفية توجيه جميع الدورات في الفضاء).
تهدف مجموعة Ketterle إلى دراسة هذه الظاهرة من خلال تجربة استخدموا فيها لأول مرة تقنيات التبريد بالليزر لتخفيض ذرات الليثيوم إلى حوالي 50 نانوكلفن – أي أكثر من 10 ملايين مرة أكثر برودة من الفضاء بين النجوم.
في مثل هذه درجات الحرارة شديدة البرودة ، تتجمد الذرات إلى ما يقرب من الجمود ، بحيث يمكن للباحثين أن يروا بالتفصيل أي تأثيرات مغناطيسية يمكن أن تخفيها الحركة الحرارية للذرات. استخدم الباحثون بعد ذلك نظامًا من الليزر لاحتجاز وترتيب خيوط متعددة تحتوي كل منها على 40 ذرة ، مثل الخرز على خيط. إجمالاً ، أنتجوا شبكة من حوالي 1000 سلسلة ، تتكون من حوالي 40.000 ذرة.
يوضح جيبسن: “يمكنك التفكير في الليزر على أنه ملاقط تلتقط الذرات ، وإذا كانت أكثر دفئًا فإنها ستهرب”.
ثم طبقوا نمطًا من موجات الراديو وقوة مغناطيسية نبضية على الشبكة بأكملها ، مما أدى إلى حث كل ذرة على طول الخيط لإمالة دورانها إلى نمط حلزوني (أو موجي). تتوافق الأنماط الشبيهة بالموجات لهذه الأوتار معًا مع تعديل كثافة دوري للذرات “تدور لأعلى” والتي تشكل نمطًا من الخطوط ، والتي يمكن للباحثين تصويرها على كاشف. ثم راقبوا كيف اختفت الأنماط الشريطية عندما اقتربت الدورات الفردية للذرات من حالة التوازن.
يقارن Ketterle التجربة بنتف وتر الغيتار. إذا نظر الباحثون إلى دوران الذرات عند التوازن ، فلن يخبرهم هذا كثيرًا عن القوى المغناطيسية بين الذرات ، تمامًا كما أن وتر الغيتار في حالة السكون لن يكشف الكثير عن خصائصه الفيزيائية. من خلال نتف الخيط ، وإخراجه من التوازن ، ورؤية كيف يهتز ويعود في النهاية إلى حالته الأصلية ، يمكن للمرء أن يتعلم شيئًا أساسيًا عن الخصائص الفيزيائية للوتر.
“ما نفعله هنا هو ، نوعًا ما ننتف سلسلة الدورات. نحن نضع هذا النمط اللولبي ، ثم نلاحظ كيف يتصرف هذا النمط كدالة للوقت ، “يقول Ketterle. “هذا يسمح لنا برؤية تأثير القوى المغناطيسية المختلفة بين الدورات.”
المقذوفات والحبر
في تجربتهم ، قام الباحثون بتغيير قوة القوة المغناطيسية النبضية التي استخدموها لتغيير عرض الخطوط في أنماط الدوران الذري. قاموا بقياس مدى سرعة وبأي طرق تلاشت الأنماط. اعتمادًا على طبيعة القوى المغناطيسية بين الذرات ، لاحظوا سلوكًا مختلفًا بشكل مذهل في كيفية عودة اللفات الكمومية إلى التوازن.
اكتشفوا انتقالًا بين السلوك الباليستي ، حيث تعود السبينات بسرعة إلى حالة التوازن ، والسلوك الانتشاري ، حيث تنتشر اللفات بشكل غير منتظم ، وينتشر نمط الشريط العام ببطء إلى التوازن ، مثل قطرة حبر تذوب ببطء في الماء.
تم توقع بعض هذا السلوك نظريًا ، لكن لم يتم ملاحظته بالتفصيل حتى الآن. كانت بعض النتائج الأخرى غير متوقعة تمامًا. علاوة على ذلك ، وجد الباحثون أن ملاحظاتهم تتلاءم رياضيًا مع ما حسبوه باستخدام نموذج هايزنبرغ لمعاييرهم التجريبية. لقد تعاونوا مع المنظرين في جامعة هارفارد ، الذين أجروا أحدث الحسابات لديناميات السين.
يقول Ho: “كان من المثير للاهتمام أن نرى أن هناك خصائص يسهل قياسها ، ولكن من الصعب حسابها ، ويمكن حساب خصائص أخرى ، ولكن لا يمكن قياسها”.
بالإضافة إلى تعزيز فهم المغناطيسية على المستوى الأساسي ، يمكن استخدام نتائج الفريق لاستكشاف خصائص المواد الجديدة ، كنوع من محاكاة الكم. يمكن لمثل هذه المنصة أن تعمل كجهاز كمبيوتر كمي ذي أغراض خاصة يحسب سلوك المواد بطريقة تتجاوز قدرات أقوى أجهزة الكمبيوتر اليوم.
يقول جون جيلاسبي ، مسؤول البرامج في قسم الفيزياء في المعهد: “مع كل الإثارة الحالية بشأن وعد علم المعلومات الكمومي بحل المشكلات العملية في المستقبل ، من الرائع رؤية عمل مثل هذا يؤتي ثماره فعلاً اليوم”. المؤسسة الوطنية للعلوم ، ممول البحث.
المرجع: 16 ديسمبر 2020 ، طبيعة.
تم دعم البحث أيضًا من قبل وزارة الدفاع ومؤسسة جوردون وبيتي مور.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”