Массив ридберговских атомов сымитировал магнитный порядок

Физики использовали атомы в двумерной оптической решетке для симуляции ферромагнитного и антиферромагнитного порядка в системе спинов. Для этого они возбуждали их в ридберговские состояния и кодировали спиновые степени свободы с помощью разных уровней, воссоздав таким образом XY-модель. Исследование опубликовано в Nature.

Сложные формы упорядоченного магнетизма — ферромагнетизм или антиферромагнетизм — обусловлены взаимодействием атомных магнитных моментов, сидящих в определенных местах кристаллической решетки. Физики понимают, что магнитный порядок — это устойчивое состояние сложной системы многих тел, продукт дипольного взаимодействия. Однако существующих вычислительных мощностей недостаточно, чтобы теоретически просчитать такие системы, без чего невозможно получить полное понимание происходящих процессов.

Вместо этого можно работать с системами, поддающимися большему контролю, но существующими по тем же квантовым законам, что и атомы или электроны в кристаллах. Такая симуляция стала возможна благодаря развитию методов пленения атомов и ионов в оптические ловушки и решетки. Мы уже рассказывали, как физики имитируют таким методом квазикристаллы, скрученный материалы и акустические возбуждения.

Чтобы выяснить роль ближне- и дальнодействующих сил в формировании упорядоченных магнитных фаз, Чэн Чэнь (Cheng Chen) из Университета Париж-Сакле с коллегами из шести стран использовали взаимодействие между ридберговскими атомами, заключенными в узлы двумерной оптической решетки. Так называют атомы, чьи оптические электроны возбуждены в состояния с большими главными квантовыми числами. Ридберговские атомы известным своим гигантским дипольным моментом, а также широкой протяженностью электронной волновой функции, которая обеспечивает взаимодействие на большом расстоянии.

В роли ридберговских атомов в эксперименте физиков выступили атомы рубидия-87. Ученые наполняли ими до сотни ячеек бездефектной оптической решетки. Для симуляции спиновой динамики исследователи кодировали состояния «спин-вверх» и «спин-вниз» с помощью уровней 60S и 60P. Взаимодействие атомов друг с другом при этом точно описывалось хорошо известной XY-моделью.

В начале каждого экспериментального цикла авторы фокусировали на атомы оптические потенциалы в шахматном порядке. Эти потенциалы смещали один из уровней вверх или вниз по энергии. Авторы изучали то, в каком состоянии останется атомная решетка, если медленно или, наоборот, резко убирать эти потенциалы.

В случае, если оптическое воздействие усиливало разницу между энергиями уровней, его медленное снятие до нуля сохраняло антиферромагнитный порядок атомов. Если же оно, наоборот, поднимало нижний уровень над верхним, то после снятия порядок оказывался ферромагнитным. Чтобы проверить устойчивость этого процесса, физики с некоторого момента времени нарушали плавность снятия оптического поля резким скачком вниз до некоторого ненулевого значения. Они строили диаграмму устойчивости, измеряя параметр порядка (намагниченность) для ферро- и антиферромагнитного сценария в зависимости от амплитуды скачка и величины конечного поля. Как и ожидалось, в районе нулевых значений этих величин параметр порядка был максимальным.

Физики также изучили пространственные корреляции, которые возникают в обоих случаях. Оказалось, что ферромагнитное упорядочивание демонстрирует дальний порядок, которого не бывает в традиционных двумерных магнетиках. В антиферромагнитной же фазе эти дальние корреляции исчезают. Авторы уверены, что предложенная методика позволит лучше исследовать фрустрированный магнетизм и спин-жидкостное поведение.

Ранее мы рассказывали, как для реализации XY-модели используют ультрахолодные молекулы и поляритоны.