L’observation expérimentale d’états d’hélice fantôme à longue durée de vie dans les aimants quantiques de Heisenberg

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, de l’Université de Harvard et de l’Université de Stanford ont récemment dévoilé l’existence d’états de spin hélicoïdaux uniques dans les aimants quantiques de Heisenberg. Leurs observations, publiées dans un article du Physique naturellepourraient avoir des implications importantes pour la simulation des processus physiques et de la dynamique liés au spin dans les systèmes quantiques à plusieurs corps.

« Lorsque nous avons lancé ce projet, notre objectif principal était d’étudier la dynamique du magnétisme quantique », ont déclaré Eunice (Yoo Kyung) Lee et Wen Wei Ho, deux des chercheurs qui ont mené l’étude, à Phys.org. « Le magnétisme quantique est à la base de nombreuses technologies que nous utilisons aujourd’hui, y compris les dispositifs de stockage de mémoire, et présente donc un intérêt fondamental. »

Pour modéliser le magnétisme quantique, on peut représenter chaque particule élémentaire comme portant un spin (par exemple, comme une toupie), qui peut pointer dans différentes directions. Dans ce contexte, deux spins proches peuvent échanger leurs orientations relatives via un état intermédiaire avec les deux particules au même endroit.

« Cette idée est capturée par un modèle de manuel simple appelé le modèle de spin de Heisenberg, que nous pouvons réaliser dans une dimension (c’est-à-dire une chaîne) dans notre plate-forme expérimentale en utilisant des atomes ultra-froids », a expliqué Lee. « Généralement, si nous préparons un modèle simple de spins, disons tous les spins alignés, puis au fil du temps, le modèle devient foiré : il y aura un mélange aléatoire de spins pointant dans toutes les directions différentes. Ce processus, connu sous le nom de thermalisation, est ce qui finit par détruire informations. »

Une étude récente par une équipe de physiciens théoriciens de l’Université de Wuppertal et de l’Université de Ljubljana a suggéré l’existence d’un schéma simple de spins qui n’évolue pas du tout et est donc moins affecté par la thermalisation. Ces spins, en spirale le long de la chaîne dans le plan xy et avec un certain pas, sont appelés « états d’hélice fantôme ». Contrairement à d’autres états, les états d’hélice fantôme devraient théoriquement être capables de stocker des informations pendant de très longues périodes.

« Le modèle de Heisenberg a presque cent ans, nous avons donc été particulièrement enthousiasmés par ces surprenants nouveaux » états d’hélice fantôme « et nous nous sommes mis à les observer », a déclaré Lee. « Pour ce faire, nous avons dû préparer un état d’hélice de spin avec une longueur d’onde particulière, puis observer comment le contraste de l’hélice (c’est-à-dire l’amplitude de notre motif de spin sinusoïdal) s’est décomposé au fil du temps. Si l’état d’hélice fantôme existait, nous verrait un minimum dans le taux de décroissance du contraste. Nous avons en effet observé ce minimum, nous indiquant que nous avons trouvé les états d’hélice fantôme à longue durée de vie que nous recherchions ! »

Le récent article de Lee et de ses collègues s’appuie également sur leurs études antérieures, en particulier en termes de stratégies qu’ils ont utilisées pour caractériser la manière dont le contraste du système se dégraderait avec le temps. Pour confirmer que les taux de décomposition qu’ils ont observés étaient cohérents avec les prédictions théoriques, ils ont également utilisé des calculs effectués par Wen Wei Ho, l’un de leurs collaborateurs, dans un article précédent.

Le but de leur nouvelle étude était d’observer les états d’hélice « fantômes » (c’est-à-dire des états qui contribuent à une énergie nulle mais à une quantité de mouvement finie) prédits par les théoriciens de l’Université de Wuppertal dans un cadre expérimental. Pour ce faire, Lee et ses collègues ont chargé des atomes de lithium ultrafroids dans un réseau optique 3D, qui a été créé à l’aide de trois ondes stationnaires de faisceaux laser intenses.

« Nous avons initialisé notre hélice de spin en faisant tourner nos aimants dans le plan transversal, puis en enroulant les spins jusqu’à ce qu’ils créent une hélice transversale ; cela crée notre modèle de spin sinusoïdal », a déclaré Lee. « En observant la décroissance du motif de spin pour différentes longueurs d’onde, nous extrayons les durées de vie caractéristiques de ces états. L’angle d’enroulement (ou le vecteur d’onde) de l’hélice avec le taux de décroissance minimal est l’état d’hélice fantôme à longue durée de vie. »

En plus d’observer les états d’hélice fantôme théoriquement prédits, Lee et ses collègues ont pu identifier un moyen de mesurer l’anisotropie d’interaction dans leur modèle. Il s’agit essentiellement de la force des interactions entre les directions transversale et longitudinale, qui se traduit par une dynamique de spin spécifique.

« Le modèle de Heisenberg que nous avons utilisé a différentes forces d’interaction entre les directions xy (transversale) et z (longitudinale) », a déclaré Lee. « Nous pouvons modifier cette anisotropie d’interaction, Δ, en ajustant notre champ magnétique et en modifiant les longueurs de diffusion entre nos particules. C’est le seul paramètre important dans notre hamiltonien, et contrôle ainsi toute la dynamique de spin dans ce système simple mais riche. »

Dans le passé, les physiciens ne pouvaient estimer l’anisotropie d’interaction qu’à l’aide de modèles théoriques. Cependant, les résultats recueillis par cette équipe de chercheurs montrent que les états d’hélice fantôme peuvent être utilisés pour mesurer directement ce paramètre, particulièrement important pour effectuer des simulations quantiques. À l’avenir, les résultats de Lee et de ses collègues pourraient donc s’avérer précieux pour augmenter la fiabilité et la fidélité des différentes simulations quantiques.

« Nous avons également trouvé des contributions majeures à la dynamique de spin à partir de termes d’ordre supérieur », a déclaré Lee. « La théorie prédit raisonnablement bien l’anisotropie lorsque les interactions entre deux particules sont petites ; c’est le régime dans lequel le magnétisme quantique est généralement étudié car le modèle tombe en panne lorsque les interactions sont importantes. Cependant, nous avons constaté que le modèle de spin est toujours une description valide. à de grandes forces d’interaction, bien que la théorie de l’anisotropie calculée s’effondre complètement. »

Essentiellement, les résultats recueillis par Lee et ses collègues suggèrent que les modèles théoriques décrivant la dynamique de spin sont incomplets, car ils ne produisent pas toujours des estimations fiables de l’anisotropie. Dans leurs travaux futurs, ils prévoient ainsi d’explorer plus en profondeur les limites des modèles existants, tout en décrivant plus en détail le mécanisme derrière les états d’hélice fantôme.

Enfin, les travaux récents de cette équipe de chercheurs suggèrent également un lien potentiel entre les états d’hélice fantôme et les cicatrices quantiques à plusieurs corps. Les cicatrices quantiques à plusieurs corps sont un ensemble unique d’états dans lesquels l’ergodicité d’un système (c’est-à-dire l’impossibilité de le réduire en composants plus petits) s’effondre.

« Dans des dimensions plus élevées ou pour des interactions à plus longue portée, un système n’est plus intégrable, ce qui signifie qu’il n’a plus de quantités conservées spéciales qui empêchent un état de se thermaliser », a déclaré Lee. « Cependant, malgré la non-intégrabilité de ces systèmes, nous montrons rigoureusement qu’il existe des états d’hélice fantôme analogues qui ne se thermalisent pas du tout. Les états non thermalisants dans les systèmes à plusieurs corps non intégrables sont des exemples de » cicatrices quantiques à plusieurs corps « . ‘, qui font actuellement l’objet d’intenses recherches de la part de la communauté quantique ».

Alors que de nombreuses autres équipes de chercheurs ont introduit des modèles qui hébergent des cicatrices quantiques à plusieurs corps, ces modèles se sont avérés très difficiles à réaliser dans un cadre expérimental. En revanche, le modèle XXZ Heisenberg créé par Lee et ses collègues décrit l’un des systèmes à plusieurs corps les plus simples à réaliser, qui peut également supporter des cicatrices.

« Compte tenu de la longue et plutôt célèbre histoire du modèle de Heisenberg, il est étonnant que cela ait été négligé jusqu’à présent et c’est très prometteur pour les études futures de la dynamique quantique à plusieurs corps », a déclaré Lee. « Nous utilisons maintenant les états d’hélice fantôme comme un outil sensible pour mesurer la dynamique de spin dans des régions à forte interaction, pour lesquelles des traitements théoriques rigoureux n’existent pas. Cela nous a déjà révélé des surprises encore plus fondamentales sur le comportement des particules dans les réseaux optiques. et nous prévoyons de soumettre les résultats de cette enquête pour publication dans les semaines à venir. »

L’observation expérimentale par l’équipe de ces états d’hélice fantôme à longue durée de vie pourrait bientôt ouvrir la voie à de nombreuses études de suivi par d’autres physiciens du monde entier. De plus, cela pourrait conduire au développement de techniques de simulation quantique alternatives et plus efficaces.

« À l’avenir, grâce à leur longue durée de vie et à leur robustesse face aux fluctuations quantiques, les états d’hélice fantôme pourraient également être utilisés pour initialiser des états à plusieurs corps de longue durée qui sont autrement difficiles à préparer », a ajouté Lee. « De plus, nous pourrions créer des cicatrices quantiques à plusieurs corps en généralisant notre système à deux ou même trois dimensions. »

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