Les molécules de Rydberg sont des molécules géantes constituées de dizaines ou de centaines d'atomes liés à un atome de Rydberg. Ces molécules ont un dipôle permanent (c'est-à-dire, une paire de pôles de charge opposée ou magnétisés), comme l'un de leurs atomes est dans un état hautement excité.

Les physiciens étudient les molécules de Rydberg à la fois théoriquement et expérimentalement depuis plusieurs années. La plupart des études portant sur ces molécules, cependant, ne se sont concentrés que sur des situations qui n'impliquent pas de spins quantiques, car la nature à plusieurs corps des molécules de Rydberg rend l'analyse de leur dynamique de spin particulièrement difficile.

Dans une étude théorique récente, chercheurs de l'Université de Tokyo, l'Académie chinoise des sciences, L'Institut Max Planck et l'Université Harvard ont pu capturer l'interaction de la dynamique de spin des électrons de Rydberg et du mouvement orbital des atomes à l'aide d'une nouvelle méthode qui combine une transformation de découplage d'impuretés avec un ansatz gaussien. leurs papiers, Publié dans Lettres d'examen physique et Examen physique A , introduire un nouveau modèle théorique qui pourrait également être appliqué à d'autres problèmes quantiques à N corps.

"L'analyse de la dynamique de spin dans les molécules de Rydberg est restée un problème difficile en raison de leur nature inhérente à plusieurs corps, " Yuto Ashida, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "L'objectif principal de notre recherche était d'aborder cette question, faire progresser notre compréhension de la dynamique de spin hors d'équilibre dans les gaz spinaux de Rydberg."

Le principal défi dans l'étude de la dynamique de spin hors équilibre dans les gaz spinaux de Rydberg est que les physiciens doivent prendre en compte simultanément le mouvement orbital des atomes et l'enchevêtrement impureté-environnement médié par le couplage à ultralongue distance. Cela a jusqu'à présent rendu très difficile la capture de la dynamique de spin des molécules de Rydberg.

"Au meilleur de nos connaissances, il n'y a pas d'approche théorique applicable à ce nouveau type de problème quantique à N corps, " a expliqué Ashida. " C'est la raison pour laquelle nous avons développé une nouvelle approche variationnelle applicable pour résoudre un type générique de problème d'impureté quantique bosonique. "

La nouvelle approche théorique introduite par Ashida et ses collègues est basée sur une idée appelée "démêler la transformation canonique, " qui a été introduite par la même équipe de recherche dans un article précédent, également publié dans PRL . La transformation canonique de démêlage utilise la symétrie de parité pour découpler complètement les degrés de liberté d'impureté et d'environnement, ce qui permet finalement aux chercheurs de surmonter les problèmes associés à la capture de la dynamique de spin dans les gaz de Rydberg d'une manière très efficace.

La méthode variationnelle utilisée par Ashida et ses collègues pour capturer l'interaction de la dynamique de spin Rydberg-électron et du mouvement orbital des atomes dans les molécules de Rydberg combine la transformation canonique de démêlage avec un ansatz gaussien pour le bain de particules. Cette méthode a permis aux chercheurs de dévoiler plusieurs caractéristiques qui ne sont pas présentes dans les problèmes d'impuretés traditionnels.

L'une de ces caractéristiques est la renormalisation induite par l'interaction du spectre d'absorption, qui échappe aux explications simples des états moléculaires liés. En utilisant leur méthode variationnelle, les chercheurs ont également pu observer des oscillations de longue durée du spin de l'électron de Rydberg.

"La découverte la plus intéressante de notre étude est que la dynamique de précession de spin a une durée de vie étonnamment longue malgré la nature non intégrable du problème actuel à plusieurs corps en interaction, " a déclaré Ashida. "Nous interprétons cette caractéristique comme un vestige de l'intégrabilité du problème dit de spin central, qui peut être obtenu si nous prenons la limite de masse infinie dans notre modèle."

L'observation que la dynamique de précession de spin dans les molécules de Rydberg a une durée étonnamment longue pourrait avoir des implications pour plusieurs sous-domaines de la physique, y compris atomique, physique moléculaire et optique (AMO). En réalité, la présence de relaxation et de thermalisation dans les systèmes complexes à N corps est toujours un domaine de recherche actif à la fois en physique AMO et en physique statistique.

À l'avenir, le modèle variationnel développé par les chercheurs et les analyses qu'ils ont menées pourraient également être appliqués à d'autres systèmes de la physique atomique et de la chimie quantique. C'est particulièrement vrai pour les systèmes dans lesquels une excitation électronique d'un nombre quantique orbital élevé interagit avec un bain quantique tournant.

« Dans nos prochaines études, nous aimerions étendre davantage notre modèle pour inclure le moment angulaire non nul de l'électron de Rydberg, " a déclaré Ashida. " D'autres questions de recherche ouvertes incluent la généralisation de notre problème au bain fermionique, application de notre approche variationnelle générale à d'autres problèmes d'impuretés quantiques difficiles. Nous espérons que nos études stimuleront d'autres recherches dans ces directions."

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