Die experimentelle Beobachtung langlebiger Phantom-Helix-Zustände in Heisenberg-Quantenmagneten

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, der Harvard University und der Stanford University haben kürzlich die Existenz einzigartiger spiralförmiger Spinzustände in Heisenberg-Quantenmagneten enthüllt. Ihre Beobachtungen, veröffentlicht in einem Artikel in Naturphysikkönnten wichtige Implikationen für die Simulation spinbezogener physikalischer Prozesse und Dynamiken in Quanten-Vielteilchensystemen haben.

„Als wir mit diesem Projekt begannen, war unser Hauptziel, die Dynamik des Quantenmagnetismus zu untersuchen“, sagten Eunice (Yoo Kyung) Lee und Wen Wei Ho, zwei der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Quantenmagnetismus liegt vielen der Technologien zugrunde, die wir heute verwenden, einschließlich Speichergeräten, und ist daher von grundlegendem Interesse.“

Um den Quantenmagnetismus zu modellieren, kann man jedes Elementarteilchen so darstellen, dass es einen Spin trägt (z. B. wie ein Kreisel), der in verschiedene Richtungen zeigen kann. Dabei können zwei benachbarte Spins ihre relative Orientierung über einen Zwischenzustand mit beiden Teilchen am selben Ort austauschen.

„Diese Idee wird von einem einfachen Lehrbuchmodell namens Heisenberg-Spin-Modell erfasst, das wir in unserer experimentellen Plattform mit ultrakalten Atomen in einer Dimension (dh einer Kette) realisieren können“, erklärte Lee. „Generell, wenn wir ein einfaches Muster von Spins vorbereiten, sagen wir, alle Spins sind ausgerichtet, dann wird das Muster im Laufe der Zeit durcheinander gebracht: Es wird eine zufällige Mischung von Spins geben, die in alle verschiedenen Richtungen zeigen. Dieser Prozess, bekannt als Thermalisierung, ist es, was schließlich zerstört Information.“

Eine aktuelle Studie von einem Team theoretischer Physiker der Universität Wuppertal und der Universität Ljubljana schlug die Existenz eines einfachen Spinmusters vor, das sich überhaupt nicht entwickelt und daher weniger von der Thermalisierung beeinflusst wird. Diese Spins, die spiralförmig entlang der Kette in der xy-Ebene und mit einer bestimmten Steigung verlaufen, sind als „Phantom-Helix-Zustände“ bekannt. Im Gegensatz zu anderen Zuständen sollten Phantom-Helix-Zustände theoretisch in der Lage sein, Informationen über sehr lange Zeiträume zu speichern.

„Das Heisenberg-Modell ist fast hundert Jahre alt, daher waren wir von diesen überraschenden neuen ‚Phantom-Helix-Zuständen‘ besonders begeistert und machten uns auf, sie zu beobachten“, sagte Lee. „Dazu mussten wir einen Spin-Helix-Zustand mit einer bestimmten Wellenlänge präparieren und dann beobachten, wie der Kontrast der Helix (dh die Amplitude unseres sinusförmigen Spinmusters) mit der Zeit abnahm. Wenn der Phantom-Helix-Zustand existierte, wir würde ein Minimum in der Zerfallsrate des Kontrasts sehen. Wir haben dieses Minimum tatsächlich beobachtet, was uns sagt, dass wir die langlebigen Phantom-Helix-Zustände gefunden haben, nach denen wir gesucht haben!“

Die jüngste Arbeit von Lee und ihren Kollegen baut auch auf ihren früheren Studien auf, insbesondere in Bezug auf die Strategien, die sie verwendeten, um zu charakterisieren, wie der Kontrast des Systems im Laufe der Zeit abnimmt. Um zu bestätigen, dass die beobachteten Zerfallsraten mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmten, verwendeten sie auch Berechnungen, die von Wen Wei Ho, einem ihrer Mitarbeiter, durchgeführt wurden eine frühere Arbeit.

Das Ziel ihrer neuen Studie war es, die von Theoretikern der Universität Wuppertal vorhergesagten „Phantom“-Helixzustände (dh Zustände, die keine Energie, aber endlichen Impuls beitragen) in einem experimentellen Umfeld zu beobachten. Dazu haben Lee und ihre Kollegen ultrakalte Lithiumatome in ein optisches 3D-Gitter geladen, das mit drei stehenden Wellen intensiver Laserstrahlen erzeugt wurde.

„Wir haben unsere Spinwendel initialisiert, indem wir unsere Magnete in die Querebene gedreht und dann die Spins gewickelt haben, bis sie eine Querwendel bilden; dies erzeugt unser sinusförmiges Spinmuster“, sagte Lee. „Indem wir den Zerfall des Spinmusters für verschiedene Wellenlängen beobachten, extrahieren wir die charakteristischen Lebensdauern dieser Zustände. Der Windungswinkel (oder der Wellenvektor) der Helix mit der minimalen Zerfallsrate ist der langlebige Phantom-Helix-Zustand.“

Neben der Beobachtung der theoretisch vorhergesagten Zustände der Phantomhelix konnten Lee und ihre Kollegen einen Weg finden, die Interaktionsanisotropie in ihrem Modell zu messen. Dies ist im Wesentlichen die Stärke der Wechselwirkungen zwischen Quer- und Längsrichtung, die sich in einer spezifischen Spindynamik niederschlägt.

„Das von uns verwendete Heisenberg-Modell hat unterschiedliche Wechselwirkungsstärken zwischen den xy- (Quer-) und z- (Längs-) Richtungen“, sagte Lee. „Wir können diese Wechselwirkungsanisotropie Δ ändern, indem wir unser Magnetfeld abstimmen und die Streulängen zwischen unseren Partikeln ändern. Dies ist der einzige wichtige Parameter in unserem Hamiltonian und steuert somit die gesamte Spindynamik in diesem einfachen, aber reichhaltigen System.“

Bisher konnten Physiker die Wechselwirkungsanisotropie nur mit theoretischen Modellen abschätzen. Die von diesem Forscherteam gesammelten Erkenntnisse zeigen jedoch, dass Phantom-Helix-Zustände verwendet werden können, um diesen Parameter direkt zu messen, der für die Durchführung von Quantensimulationen besonders wichtig ist. In Zukunft könnten sich die Ergebnisse von Lee und ihren Kollegen daher als unschätzbar erweisen, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit verschiedener Quantensimulationen zu erhöhen.

„Wir haben auch wichtige Beiträge zur Spindynamik von Termen höherer Ordnung gefunden“, sagte Lee. „Die Theorie sagt die Anisotropie ziemlich gut voraus, wenn die Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen klein sind; dies ist der Bereich, in dem der Quantenmagnetismus typischerweise untersucht wird, weil das Modell zusammenbricht, wenn die Wechselwirkungen groß sind. Wir haben jedoch festgestellt, dass das Spin-Modell immer noch eine gültige Beschreibung ist bei großen Wechselwirkungsstärken, obwohl die Theorie für die berechnete Anisotropie vollständig zusammenbricht.

Im Wesentlichen deuten die von Lee und ihren Kollegen gesammelten Ergebnisse darauf hin, dass theoretische Modelle zur Beschreibung der Spindynamik unvollständig sind, da sie nicht immer zuverlässige Schätzungen der Anisotropie liefern. In ihren zukünftigen Arbeiten planen sie daher, die Grenzen bestehender Modelle eingehender zu untersuchen und gleichzeitig den Mechanismus hinter Phantom-Helix-Zuständen eingehender zu skizzieren.

Schließlich deutet die jüngste Arbeit dieses Forscherteams auch auf eine mögliche Verbindung zwischen Phantom-Helix-Zuständen und Quanten-Vielteilchen-Narben hin. Quanten-Vielteilchen-Narben sind eine einzigartige Reihe von Zuständen, in denen die Ergodizität eines Systems (dh die Unmöglichkeit, es in kleinere Komponenten zu reduzieren) zusammenbricht.

„In höheren Dimensionen oder bei Wechselwirkungen mit größerer Reichweite ist ein System nicht mehr integrierbar, was bedeutet, dass es keine speziellen Erhaltungsgrößen mehr hat, die verhindern, dass ein Zustand thermisch wird“, sagte Lee. „Trotz der Nicht-Integrierbarkeit dieser Systeme zeigen wir rigoros, dass es analoge Phantom-Helix-Zustände gibt, die überhaupt nicht thermalisieren. Nicht-thermalisierende Zustände in nicht integrierbaren Vielteilchensystemen sind Beispiele für ‚Quanten-Vielteilchen-Narben‘ ,‘ die derzeit von der Quantengemeinschaft intensiv untersucht werden.“

Während viele andere Forscherteams Modelle eingeführt haben, die Quanten-Vielkörper-Narben beherbergen, haben sich diese Modelle als sehr schwierig in experimentellen Umgebungen zu realisieren erwiesen. Im Gegensatz dazu beschreibt das von Lee und ihren Kollegen erstellte XXZ-Heisenberg-Modell eines der am einfachsten zu realisierenden Vielkörpersysteme, das auch Narben unterstützen kann.

„In Anbetracht der langen und ziemlich berühmten Geschichte des Heisenberg-Modells ist es erstaunlich, dass dies bisher übersehen wurde und sehr vielversprechend für zukünftige Studien der Quanten-Vielteilchendynamik ist“, sagte Lee. „Wir verwenden die Phantom-Helix-Zustände jetzt als empfindliches Werkzeug, um die Spindynamik in stark wechselwirkenden Regionen zu messen, für die es keine strengen theoretischen Behandlungen gibt. Dies hat uns bereits noch grundlegendere Überraschungen über das Verhalten von Teilchen in optischen Gittern offenbart.“ und wir planen, die Ergebnisse dieser Untersuchung in den kommenden Wochen zur Veröffentlichung vorzulegen.“

Die experimentelle Beobachtung dieser langlebigen Phantom-Helix-Zustände durch das Team könnte bald den Weg für zahlreiche Folgestudien anderer Physiker weltweit ebnen. Darüber hinaus könnte dies zur Entwicklung alternativer und effektiverer Quantensimulationstechniken führen.

„Dank ihrer langen Lebensdauer und Robustheit gegenüber Quantenfluktuationen könnten Phantom-Helix-Zustände in Zukunft auch dazu verwendet werden, langlebige Vielteilchenzustände zu initialisieren, die sonst schwer herzustellen sind“, fügte Lee hinzu. „Außerdem könnten wir Quanten-Vielteilchen-Narben erzeugen, indem wir unser System auf zwei oder sogar drei Dimensionen verallgemeinern.“

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