麻省理工学院朱棣文教授 麻省理工学院和哈佛大学的研究人员研究了称为自旋(黑色箭头)的磁性基本单位是如何在单个原子链(彩色球体)中围绕其他自旋移动并与之相互作用的
背景显示了自旋的真实图像，揭示了蓝色(自旋向上)原子的高对比度周期性调制
荣誉:由研究人员提供 一项新的研究阐明了旋转原子间令人惊讶的舞蹈
在《自然》杂志上发表的一篇论文中，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员揭示了量子原子尺度的磁力如何影响原子的自旋方向
在超冷锂原子的实验中，研究人员观察到原子自旋演化的不同方式
就像脚尖旋转回到直立位置的芭蕾舞演员一样，旋转的原子以一种依赖于单个原子之间磁力的方式回到平衡的方向
例如，原子可以以极快的“弹道”方式或更慢、更扩散的方式旋转到平衡状态
研究人员发现，这些直到现在才被观察到的行为可以用海森堡模型进行数学描述，海森堡模型是一组常用于预测磁性行为的方程
他们的结果解决了磁性的基本性质，揭示了一种最简单的磁性材料的多样性行为
这种对磁性的进一步理解可能有助于工程师设计“自旋电子”设备，这种设备利用量子粒子的自旋而不是电子流来传输、处理和存储信息
约翰·D·沃夫冈·克特勒说:“通过研究最简单的磁性材料之一，我们加深了对磁性的理解。”
麻省理工学院物理学教授兼麻省理工学院团队负责人亚瑟
“当你在物理学中最简单的磁学模型中发现新现象时，你就有机会完全描述和理解它
这是早上让我起床，让我兴奋的原因
" 凯特勒的合著者是麻省理工学院的研究生兼首席作者保罗·尼克拉斯·杰普森，以及杰西·阿马托·格里尔、伊万娜·季米特洛夫(都是麻省理工学院的博士后)、文薇·何(哈佛大学和斯坦福大学的博士后)和尤金·德姆勒(哈佛大学的物理学教授)
他们都是麻省理工学院哈佛超冷原子中心的研究人员
麻省理工学院的团队隶属于该学院的物理系和电子研究实验室
一连串的旋转 量子自旋被认为是磁性的微观单位
在量子尺度上，原子可以顺时针或逆时针旋转，这给了它们一个方向，就像指南针一样
在磁性材料中，许多原子的自旋可以表现出各种各样的现象，包括平衡态和动态行为，在平衡态下，原子的自旋是对齐的，在动态行为下，许多原子的自旋类似于波的模式
研究人员正是研究了后一种模式
波状自旋模式的动力学对原子间的磁力非常敏感
各向同性磁力的波形消失得比各向异性力快得多
(各向同性力不取决于所有自旋在空间中的取向)
凯特勒的团队旨在通过一项实验来研究这一现象，在这项实验中，他们首次使用了成熟的激光冷却技术，将锂原子的温度降低到约50纳开尔文——比星际空间冷1000多万倍
在这样超冷的温度下，原子被冻结在近乎静止的状态，这样研究人员就可以详细观察任何被原子热运动掩盖的磁效应
然后，研究人员使用激光系统来捕捉和排列多条每条有40个原子的线，就像一条线上的珠子
总之，他们生成了一个大约1000串的晶格，包含大约40000个原子
“你可以把激光想象成抓住原子的镊子，如果它们变得更热，它们就会逃脱，”杰普森解释道
然后，他们对整个晶格施加一种无线电波模式和一种脉冲磁力，这种模式诱导弦上的每个原子将其自旋倾斜成螺旋(或波状)模式
这些弦的波浪形图案共同对应于“自旋”原子的周期性密度调制，形成条纹图案，研究人员可以在探测器上成像
然后，他们观察了当原子的单个自旋接近平衡状态时，条纹图案是如何消失的
凯特尔把这个实验比作拨动吉他弦
如果研究人员观察处于平衡状态的原子的自旋，这不会告诉他们太多关于原子之间的磁力，就像静止的吉他弦不会透露太多关于它的物理性质一样
通过拨动琴弦，使其脱离平衡，观察它是如何振动并最终恢复到原始状态的，人们可以了解一些关于琴弦物理特性的基本知识
“我们在这里做的是，我们在拔起旋转的弦
我们将这种螺旋模式放进去，然后观察这种模式作为时间的函数是如何表现的，”凯特勒说
“这让我们可以看到自旋之间不同磁力的影响
" 弹道和墨水 在他们的实验中，研究人员改变了他们施加的脉冲磁力的强度，以改变原子自旋模式中条纹的宽度
他们测量了图案褪色的速度和方式
根据原子间磁力的性质，他们观察到了量子自旋如何恢复平衡的显著不同的行为
他们发现了弹道行为和扩散行为之间的转变，前者的自旋迅速回到平衡状态，后者的自旋传播更加不稳定，整个条纹图案慢慢扩散回到平衡状态，就像墨滴慢慢溶解在水中一样
这种行为的一部分在理论上已经被预测到了，但是直到现在还没有被详细观察到
其他一些结果完全出乎意料
此外，研究人员发现，他们的观察结果与他们用海森堡模型计算出的实验参数在数学上是一致的
他们与哈佛的理论家合作，这些理论家对自旋动力学进行了最先进的计算
“有趣的是，有些属性很容易测量，但很难计算，其他属性可以计算，但不能测量，”何说
除了在基础水平上推进对磁性的理解，该团队的结果还可以用来探索新材料的特性，作为一种量子模拟器
这样的平台可以像计算材料行为的专用量子计算机一样工作，其工作方式超过了当今最强大的计算机的能力
这项研究的资助者、美国国家科学基金会物理部项目官员约翰·吉尔斯比说:“目前人们对量子信息科学解决未来实际问题的前景非常兴奋，今天看到这样的工作真正取得成果真是太好了。”
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