Des scientifiques de l'Université Rice ont observé la coopérativité de Dicke dans un cristal magnétique dans lequel deux types de spins, en fer (flèches bleues) et en erbium (flèches rouges), ont interagi les uns avec les autres. Les spins de fer étaient excités pour former un objet en forme d'onde appelé onde de spin; les spins d'erbium précessant dans un champ magnétique (B) se sont comportés comme des atomes à deux niveaux. Crédit :Xinwei Li
Après leurs récentes expériences pionnières pour coupler à l'extrême lumière et matière, Les scientifiques de l'Université Rice ont décidé de rechercher un effet similaire dans la matière seule. Ils ne s'attendaient pas à le trouver si tôt.
Le physicien du riz Junichiro Kono, l'étudiant diplômé Xinwei Li et ses collègues internationaux ont découvert le premier exemple de coopérativité de Dicke dans un système matière-matière, un résultat rapporté dans Science cette semaine.
La découverte pourrait aider à faire progresser la compréhension de la spintronique et du magnétisme quantique, dit Kono. Côté spintronique, il a déclaré que le travail conduira à un traitement de l'information plus rapide avec une consommation d'énergie plus faible et contribuera au développement de l'informatique quantique basée sur le spin. Les découvertes de l'équipe sur le magnétisme quantique permettront de mieux comprendre les phases de la matière induites par les interactions à plusieurs corps à l'échelle atomique.
Au lieu d'utiliser la lumière pour déclencher des interactions dans un puits quantique, un système qui a produit de nouvelles preuves d'un couplage ultrafort lumière-matière plus tôt cette année, le laboratoire Kono de Rice a utilisé un champ magnétique pour stimuler la coopérativité entre les spins au sein d'un composé cristallin composé principalement de fer et d'erbium.
"C'est un sujet émergent en physique de la matière condensée, " a déclaré Kono. " Il y a une longue histoire en physique atomique et moléculaire de la recherche du phénomène de couplage coopératif ultrafort. Dans notre cas, nous avions déjà trouvé un moyen de faire interagir et s'hybrider lumière et matière condensée, mais ce que nous rapportons ici est plus exotique."
Coopérativité Dicke, du nom du physicien Robert Dicke, se produit lorsque le rayonnement entrant provoque le couplage d'un ensemble de dipôles atomiques, comme des engrenages dans un moteur qui ne se touchent pas réellement. Les premiers travaux de Dicke ont ouvert la voie à l'invention des lasers, la découverte du rayonnement de fond cosmique dans l'univers et le développement d'amplificateurs de verrouillage utilisés par les scientifiques et les ingénieurs.
"Dicke était un physicien exceptionnellement productif, " a déclaré Kono. " Il a eu de nombreux articles et réalisations à fort impact dans presque tous les domaines de la physique. Le phénomène Dicke particulier qui est pertinent pour notre travail est lié à la superradiance, qu'il a introduit en 1954. L'idée est que si vous avez une collection d'atomes, ou tourne, ils peuvent travailler ensemble dans une interaction lumière-matière pour rendre cohérente l'émission spontanée. C'était une idée très étrange.
"Lorsque vous stimulez de nombreux atomes dans un petit volume, un atome produit un photon qui interagit immédiatement avec un autre atome à l'état excité, " dit Kono. " Cet atome produit un autre photon. Vous avez maintenant une superposition cohérente de deux photons.
Xinwei Li, la gauche, et Junichiro Kono de l'Université Rice a mené un effort international pour trouver le premier exemple de coopérativité Dicke dans un système matière-matière. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Cela se produit entre chaque paire d'atomes dans le volume et produit une polarisation macroscopique qui conduit finalement à une explosion de lumière cohérente appelée superradiance, " dit-il. Retirer la lumière de l'équation signifiait que le laboratoire Kono devait trouver un autre moyen d'exciter les dipôles du matériau, la force magnétique de type boussole inhérente à chaque atome, et les inviter à s'aligner. Parce que le laboratoire est équipé de manière unique pour de telles expériences, lorsque le matériel de test est apparu, Kono et Li étaient prêts.
"L'échantillon a été fourni par mon collègue (et co-auteur) Shixun Cao à l'Université de Shanghai, " a déclaré Kono. Tests de caractérisation avec un champ magnétique faible ou nul effectués par un autre co-auteur, Dmitry Turchinovich de l'Université de Duisbourg-Essen, suscité peu de réactions.
"Mais Dmitry est un bon ami, et il sait que nous avons une configuration expérimentale spéciale qui combine la spectroscopie térahertz, basses températures et champ magnétique élevé, " dit Kono. " Il était curieux de savoir ce qui se passerait si nous faisions les mesures. "
"Parce que nous avons une certaine expérience dans ce domaine, nous avons nos données initiales, identifié des détails intéressants et pensé qu'il y avait quelque chose de plus que nous pourrions explorer en profondeur, " ajouta Li. " Mais nous n'avons certainement pas prédit cela, " dit Kono.
Li a dit que pour faire preuve de coopération, les composants magnétiques du composé devaient imiter les deux ingrédients essentiels d'un système standard de couplage d'atomes légers où la coopérativité de Dicke a été proposée à l'origine :et un autre avec des niveaux d'énergie quantique qui se déplaceraient avec le champ magnétique appliqué et simuleraient les atomes.
"Au sein d'un seul composé d'orthoferrite, d'un côté, les ions fer peuvent être déclenchés pour former une onde de spin à une fréquence particulière, " dit Li. " De l'autre côté, nous avons utilisé la résonance paramagnétique électronique des ions erbium, qui forme une structure quantique à deux niveaux qui interagit avec l'onde de spin."
Alors que le puissant aimant du laboratoire réglait les niveaux d'énergie des ions erbium, tel que détecté par le spectroscope térahertz, il n'a pas initialement montré d'interactions fortes avec l'onde de spin du fer à température ambiante. Mais les interactions ont commencé à apparaître à des températures plus basses, vu dans une mesure spectroscopique de la force de couplage connue sous le nom de division de Rabi sous vide.
Le dopage chimique de l'erbium avec de l'yttrium l'a rapproché de l'observation et a montré la coopérativité de Dicke dans les interactions magnétiques. « La façon dont la force de couplage a augmenté correspond parfaitement aux premières prédictions de Dicke, " dit Li. " Mais ici, la lumière est hors de l'image et le couplage est de nature matière-matière."
"L'interaction dont nous parlons est vraiment atomistique, " a déclaré Kono. "Nous montrons deux types de spin interagissant dans un seul matériau. C'est une interaction mécanique quantique, plutôt que la mécanique classique que nous voyons dans le couplage lumière-matière. Cela ouvre de nouvelles possibilités non seulement de comprendre, mais aussi de contrôler et de prédire de nouvelles phases de la matière condensée."
