Квантовый симулятор дает подсказки о магнетизме

Задолго до того, как математические уравнения смогли объяснить формы и углы в мыльной пене, математики предположили, что мыльные пленки естественным образом находят геометрию, которая минимизирует площадь поверхности, тем самым решая проблему минимальных поверхностей. Их можно было создать, просто надув мыльные пузыри.В лаборатории ультрахолодных атомов Университета Торонто Тивиссен и его команда стремятся ответить на вопросы, которые он называет «мыльным пузырем», — глубокие загадки загадочного мира квантовых материалов, которые можно решить с помощью моделирования. Поскольку электроны в квантовых материалах, таких как сверхпроводники, увеличиваются слишком быстро для тщательного наблюдения, команда Тивиссена вместо этого использует ультрахолодные газы, таким образом моделируя одну квантовую систему другой, более легко изучаемой квантовой системой.

«Моделирование дает ответы, но не теория, лежащая в их основе», — говорит Тивиссен.Лаборатория Тивиссена дала некоторые из этих ответов в новой статье о магнетизме и диффузии атомов в ультрахолодных газах, опубликованной в журнале Science. Исследователи оптически захватили облако газа в миллиард раз холоднее воздуха в вакууме очень низкого давления.

Они сориентировали ультрахолодные атомы, которые ведут себя как микроскопические магниты, чтобы все они указывали в одном направлении в пространстве, а затем манипулировали вращением с помощью эффекта, который регулярно используется в больницах для МРТ, называемого спиновым эхом.Скручивая направление в виде штопора, а затем раскручивая его, они измерили силу взаимодействия между атомами.

Они заметили, что сначала атомы не взаимодействовали, но через миллисекунду они сильно взаимодействовали и коррелировали.Это быстрое изменение предполагало, что что-то произошло, что изменило магнетизм атомов по мере развития процесса.«Принцип Паули запрещает взаимодействие идентичных ультрахолодных атомов, поэтому мы знали, что что-то скремблирует спины на микроскопическом уровне», — говорит Тивиссен.Далее исследователи выяснили, что происходит диффузия — тот же процесс, который происходит, например, когда запах духов наполняет воздух комнаты.

«Если я открываю флакон духов в передней части комнаты, этим частицам требуется некоторое время, чтобы диффундировать в дальний конец комнаты», — говорит Тивиссен. «По пути они сталкиваются с другими частицами, но в конце концов добираются туда. Вы можете представить, что чем больше частиц сталкивается друг с другом, тем медленнее происходит диффузия».Доводя взаимодействие до максимально допустимого уровня, команда из Торонто попыталась понять, насколько медленным может быть распространение.

Они опустили температуру ниже одной миллионной градуса выше абсолютного нуля. Вы можете предположить, что скорость диффузии в конечном итоге достигнет нуля, но вместо этого эксперимент нашел нижний предел диффузии.«В то время как автомобили на автостраде должны двигаться ниже предельной скорости, сильно взаимодействующие вращения должны рассеиваться выше квантового предела скорости», — говорит Тивиссен.Ультрахолодные атомы являются лишь одним из большого семейства сильно взаимодействующих материалов, в которое также входят сверхпроводники и магнитные материалы.

Тивиссен является участником программы CIFAR Quantum Materials, которая занимается разработкой новых свойств этих материалов. Холодные атомы предлагают многообещающий способ исследовать тайну самоорганизации электронов, чтобы проявлять необычные и ценные свойства, такие как сверхпроводимость. Квантовые материалы содержат загадки, которые бросали вызов физикам на протяжении десятилетий.

«Наши измерения подразумевают границу диффузии, математическая простота которой восхитительна: она намекает на универсальный принцип переноса спинов, ожидающий своего раскрытия», — говорит он.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.