Une nouvelle étude éclaire une chorégraphie surprenante parmi des atomes en rotation. Dans un article paru dans la revue La nature , des chercheurs du MIT et de l'Université Harvard révèlent comment les forces magnétiques au niveau quantique, l'échelle atomique affecte la façon dont les atomes orientent leurs spins.

Dans des expériences avec des atomes de lithium ultrafroids, les chercheurs ont observé différentes manières d'évoluer les spins des atomes. Comme des ballerines tippy retournant en position verticale, les atomes en rotation reviennent à une orientation d'équilibre d'une manière qui dépend des forces magnétiques entre les atomes individuels. Par exemple, les atomes peuvent tourner en équilibre dans un extrêmement rapide, mode « balistique » ou de manière plus lente, motif plus diffus.

Les chercheurs ont découvert que ces comportements, qui n'avait pas été observé jusqu'à présent, pourrait être décrit mathématiquement par le modèle de Heisenberg, un ensemble d'équations couramment utilisées pour prédire le comportement magnétique. Leurs résultats portent sur la nature fondamentale du magnétisme, révélant une diversité de comportement dans l'un des matériaux magnétiques les plus simples.

Cette meilleure compréhension du magnétisme peut aider les ingénieurs à concevoir des dispositifs "spintroniques", qui transmettent, traiter, et stocker des informations en utilisant le spin des particules quantiques plutôt que le flux d'électrons.

"Étudier l'un des matériaux magnétiques les plus simples, nous avons avancé la compréhension du magnétisme, " dit Wolfgang Ketterle, le professeur de physique John D. Arthur au MIT et le chef de l'équipe du MIT. "Quand vous trouvez de nouveaux phénomènes dans l'un des modèles physiques les plus simples pour le magnétisme, alors vous avez une chance de le décrire complètement et de le comprendre. C'est ce qui me fait sortir du lit le matin, et m'excite."

Les co-auteurs de Ketterle sont un étudiant diplômé du MIT et auteur principal Paul Niklas Jepsen, avec Jesse-Amato Grill, Ivana Dimitrova, les deux post-doctorants du MIT, Wen Wei Ho, un post-doctorat à Harvard University et Stanford University, et Eugène Demler, professeur de physique à Harvard. Tous sont des chercheurs du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. L'équipe du MIT est affiliée au Département de physique de l'Institut et au Laboratoire de recherche en électronique.

Chaînes de tours

Le spin quantique est considéré comme l'unité microscopique du magnétisme. A l'échelle quantique, les atomes peuvent tourner dans le sens horaire ou antihoraire, qui leur donne une orientation, comme une aiguille de boussole. Dans les matériaux magnétiques, le spin de nombreux atomes peut montrer une variété de phénomènes, y compris les états d'équilibre, où les spins des atomes sont alignés, et comportement dynamique, où les spins à travers de nombreux atomes ressemblent à un motif ondulatoire.

C'est ce dernier modèle qui a été étudié par les chercheurs. La dynamique du modèle de spin ondulatoire est très sensible aux forces magnétiques entre les atomes. Le motif ondulé s'estompe beaucoup plus rapidement pour les forces magnétiques isotropes que pour les forces anisotropes. (Les forces isotropes ne dépendent pas de la façon dont tous les spins sont orientés dans l'espace).

Le groupe de Ketterle visait à étudier ce phénomène avec une expérience dans laquelle ils ont d'abord utilisé des techniques de refroidissement par laser établies pour ramener les atomes de lithium à environ 50 nanokelvins, soit plus de 10 millions de fois plus froid que l'espace interstellaire.

À de telles températures ultrafroides, les atomes sont gelés jusqu'à un quasi-arrêt, afin que les chercheurs puissent voir en détail tous les effets magnétiques qui seraient autrement masqués par le mouvement thermique des atomes. Les chercheurs ont ensuite utilisé un système de lasers pour piéger et organiser plusieurs chaînes de 40 atomes chacune, comme des perles sur une ficelle. Dans tout, ils ont généré un réseau d'environ 1, 000 cordes, comprenant environ 40, 000 atomes.

"Vous pouvez considérer les lasers comme des pincettes qui saisissent les atomes, et s'ils étaient plus chauds, ils s'échapperaient, " explique Jepsen.

Ils ont ensuite appliqué un motif d'ondes radio et une force magnétique pulsée à l'ensemble du réseau, ce qui a induit chaque atome le long de la corde à incliner sa rotation dans un motif hélicoïdal (ou ondulatoire). Les motifs ondulatoires de ces cordes correspondent ensemble à une modulation de densité périodique des atomes "spin up" qui forment un motif de rayures, que les chercheurs pouvaient imager sur un détecteur. Ils ont ensuite observé comment les motifs de rayures disparaissaient à mesure que les spins individuels des atomes approchaient de leur état d'équilibre.

Ketterle compare l'expérience à pincer la corde d'une guitare. Si les chercheurs examinaient les spins des atomes à l'équilibre, cela ne leur dirait pas grand-chose sur les forces magnétiques entre les atomes, tout comme une corde de guitare au repos ne révélerait pas grand-chose sur ses propriétés physiques. En pinçant la corde, le déséquilibrer, et voyant comment il vibre et revient finalement à son état d'origine, on peut apprendre quelque chose de fondamental sur les propriétés physiques de la corde.

"Ce que nous faisons ici, c'est nous sommes en quelque sorte en train d'arracher la chaîne de tours. Nous mettons dans ce modèle d'hélice, puis en observant comment ce modèle se comporte en fonction du temps, " dit Ketterle. "Cela nous permet de voir l'effet des différentes forces magnétiques entre les spins."

Balistique et encre

Dans leur expérience, les chercheurs ont modifié la force de la force magnétique pulsée qu'ils ont appliquée, pour faire varier la largeur des bandes dans les motifs de spin atomique. Ils ont mesuré à quelle vitesse, et de quelles manières, les motifs se sont estompés. Selon la nature des forces magnétiques entre les atomes, ils ont observé un comportement étonnamment différent dans la façon dont les spins quantiques sont revenus à l'équilibre.

Ils ont découvert une transition entre le comportement balistique, où les spins reviennent rapidement dans un état d'équilibre, et comportement diffusif, où les spins se propagent de manière plus erratique, et le motif général des rayures s'étend lentement jusqu'à l'équilibre, comme une goutte d'encre se dissolvant lentement dans l'eau.

Certains de ces comportements ont été théoriquement prédits, mais jamais observé en détail jusqu'à présent. Certains autres résultats étaient complètement inattendus. Quoi de plus, les chercheurs ont trouvé que leurs observations correspondent mathématiquement à ce qu'ils ont calculé avec le modèle Heisenberg pour leurs paramètres expérimentaux. Ils ont fait équipe avec des théoriciens de Harvard, qui a effectué des calculs de pointe de la dynamique de spin.

"C'était intéressant de voir qu'il y avait des propriétés qui étaient faciles à mesurer, mais difficile à calculer, et d'autres propriétés pourraient être calculées, mais pas mesuré, " Ho dit.

En plus de faire progresser la compréhension du magnétisme à un niveau fondamental, les résultats de l'équipe peuvent être utilisés pour explorer les propriétés de nouveaux matériaux, comme une sorte de simulateur quantique. Une telle plate-forme pourrait fonctionner comme un ordinateur quantique spécialisé qui calcule le comportement des matériaux, d'une manière qui dépasse les capacités des ordinateurs les plus puissants d'aujourd'hui.

"Avec toute l'excitation actuelle concernant la promesse de la science de l'information quantique pour résoudre des problèmes pratiques à l'avenir, c'est formidable de voir un travail comme celui-ci se concrétiser aujourd'hui, " dit John Gilaspy, chargé de programme à la Division de physique de la National Science Foundation, un bailleur de fonds de la recherche.