Американские физики из Гарвардского университета нашли новый способ моделирования магнитных взаимодействий с помощью ультрахолодных атомов, помещённых в оптическую решётку. Придумывать варианты имитации магнитных материалов учёных вынуждает то, что современные компьютеры не справляются с расчётом свойств вещества в области квантовых фазовых переходов: «запутывание» входящих в систему спинов делает задачу слишком сложной. Применить её решение, когда оно будет найдено, можно в самых разных областях физики — к примеру, в спинтронике и теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Ансамбль ультрахолодных атомов представляет собой очень удобную модельную систему. Она поддаётся расчёту, и управлять взаимодействием её элементов довольно легко; не хватает только экспериментальной схемы, которая позволила бы провести аналогию между атомами и квантовыми спинами.
Красным здесь обозначены атомы в оптической решётке, а синим выделена область туннелирования. Слева показано состояние парамагнетика, в котором туннелирование запрещено; в центре — начало перехода к антиферромагнитному порядку; справа — установившееся состояние антиферромагнетика. Сверху расположены соответствующие цепочки спинов. (Иллюстрация из журнала Nature.)
В своём опыте авторы использовали атомы рубидия 87Rb, охлаждённые до 100 пК и находящиеся в двумерной оптической решётке с периодом в 680 нм. Стоит напомнить, что решётка образуется в результате интерференции лазерных лучей, которые создают потенциальные ямы, расположенные упорядоченно. Охлаждённые нейтральные атомы занимают свои места в минимумах потенциала, причём частицы — в общем случае — могут за счёт туннельного эффекта перемещаться в соседние ячейки. Если же туннелирование энергетически запрещено, можно считать, что система находится в состоянии изолятора Мотта, и в каждой ячейке решётки располагается один атом. Подобная конфигурация была задана в начале эксперимента.
После того как атомы заняли исходные позиции, учёные создали условия для туннелирования, «наклонив» (см. рис. выше) решётку с использованием градиента приложенного магнитного поля. В результате двумерная решётка распадалась на отдельные цепочки, в пределах которых частицы и перемещались из одной ячейки в другую. При этом туннелировать в соседнюю ячейку атом мог только в том случае, если находящийся там атом ранее не покинул её; такое ограничение ведёт к появлению «запутанных» состояний.
Изменяя внешнее поле, можно добиться того, что каждая вторая ячейка будет содержать по два атома. Остальные позиции, естественно, окажутся свободными.
Связать это с магнитными характеристиками вещества довольно просто: нужно представить, что атом, который не менял исходное положение, соответствует спину «вверх», а туннелировавший атом — спину «вниз». Тогда начальная позиция будет отвечать спинам в парамагнетике, которые ориентируются по внешнему полю, а изменённая расстановка атомов — антиферромагнитному порядку магнитных моментов. Упомянутое выше ограничение не позволяет двум соседним спинам находиться в положении «вниз», реализуя спин-спиновое взаимодействие.
В будущем авторы планируют выяснить, как эта система реагирует на возмущение. «Мы хотим «перевернуть» один спин и посмотреть, что получится», — поясняет руководитель исследования Маркус Грайнер (Markus Greiner).