Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT), do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, da Universidade de Harvard e da Universidade de Stanford revelaram recentemente a existência de estados de rotação helicoidal únicos nos ímãs quânticos de Heisenberg. Suas observações, publicadas em um artigo na Nature Physics, podem ter implicações importantes para a simulação de processos físicos e dinâmicos relacionados ao spin em sistemas quânticos de muitos corpos.
“Quando começamos este projeto, nosso objetivo principal era investigar a dinâmica do magnetismo quântico”, disseram Eunice (Yoo Kyung) Lee e Wen Wei Ho, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “O magnetismo quântico está subjacente a muitas das tecnologias que usamos hoje, incluindo dispositivos de armazenamento de memória, e, portanto, é de interesse fundamental”.
Para modelar o magnetismo quântico, pode-se descrever cada partícula elementar como carregando um spin (por exemplo, como um pião), que pode apontar em direções diferentes. Nesse contexto, dois spins próximos podem trocar suas orientações relativas por meio de um estado intermediário com ambas as partículas no mesmo local.
“Esta ideia é capturada por um modelo simples de livro chamado modelo de spin de Heisenberg, que podemos realizar em uma dimensão (ou seja, uma cadeia) em nossa plataforma experimental usando átomos ultrafrios”, explicou Lee. “Genericamente, se prepararmos um padrão simples de giros, digamos, todos os giros alinhados, com o tempo o padrão fica confuso: haverá uma mistura aleatória de giros apontando em todas as direções diferentes. Esse processo, conhecido como termalização, é o que eventualmente destrói em formação.”
Um estudo recente de uma equipe de físicos teóricos da Universidade de Wuppertal e da Universidade de Ljubljana sugeriu a existência de um padrão simples de spins que não evolui e é, portanto, menos afetado pela termalização. Esses spins, espiralando ao longo da cadeia no plano x-y e com um certo tom, são conhecidos como “estados de hélice fantasma”. Em contraste com outros estados, os estados de hélice fantasma devem teoricamente ser capazes de armazenar informações por longos períodos de tempo.
“O modelo de Heisenberg tem quase cem anos, então ficamos especialmente empolgados com esses surpreendentes novos ‘estados de hélice fantasma’ e começamos a observá-los”, disse Lee. “Para fazer isso, tivemos que preparar um estado de hélice de spin com um comprimento de onda específico, então observar como o contraste da hélice (ou seja, a amplitude do nosso padrão de rotação senoidal) decaiu ao longo do tempo. Se o estado de hélice fantasma existisse, nós veríamos um mínimo na taxa de decaimento do contraste. De fato, observamos esse mínimo, nos dizendo que encontramos os estados de hélice fantasma de longa duração que estávamos procurando!”
O artigo recente de Lee e seus colegas também se baseia em seus estudos anteriores, particularmente em termos das estratégias que eles usaram para caracterizar como o contraste do sistema decairia ao longo do tempo. Para confirmar que as taxas de decaimento observados eram consistentes com as previsões teóricas, eles também usaram cálculos realizados por Wen Wei Ho, um de seus colaboradores, em um artigo anterior.
O objetivo de seu novo estudo era observar os estados de hélice “fantasmas” (ou seja, estados que contribuem com energia zero, mas momento finito) previstos por teóricos da Universidade de Wuppertal em um ambiente experimental. Para fazer isso, Lee e seus colegas carregaram átomos de lítio ultrafrios em uma rede óptica 3D, que foi criada usando três ondas estacionárias de intensos feixes de laser.
“Iniciamos nossa hélice de rotação girando nossos ímãs para o plano transversal, depois enrolando as rotações até criar uma hélice transversal; isso cria nosso padrão de rotação senoidal”, disse Lee. “Ao observar o decaimento do padrão de rotação para vários comprimentos de onda, extraímos os tempos de vida característicos desses estados. O ângulo de enrolamento (ou o vetor de onda) da hélice com a taxa de decaimento mínimo é o estado de hélice fantasma de longa duração.”
Além de observar os estados de hélice fantasmas teoricamente previstos, Lee e seus colegas conseguiram identificar uma maneira de medir a anisotropia de interação em seu modelo. Esta é essencialmente a força das interações entre as direções transversal e longitudinal, que se traduz em dinâmicas específicas de spin.
“O modelo de Heisenberg que usamos tem diferentes forças de interação entre as direções xy (transversais) e z (longitudinais)”, disse Lee. “Podemos mudar essa anisotropia de interação, Δ, ajustando nosso campo magnético e alterando os comprimentos de espalhamento entre nossas partículas. Este é o único parâmetro importante em nosso Hamiltoniano e, portanto, controla toda a dinâmica de spin neste sistema simples, mas rico.”
No passado, os físicos só podiam estimar a anisotropia de interação usando modelos teóricos. No entanto, as descobertas reunidas por essa equipe de pesquisadores mostram que os estados de hélice fantasma podem ser usados para medir diretamente esse parâmetro, o que é particularmente importante para realizar simulações quânticas. No futuro, os resultados de Lee e seus colegas podem ser inestimáveis para aumentar a confiabilidade e a fidelidade de diferentes simulações quânticas.
“Também encontramos grandes contribuições para a dinâmica de rotação de termos de ordem superior”, disse Lee. “A teoria prevê a anisotropia razoavelmente bem quando as interações entre duas partículas são pequenas; este é o regime em que o magnetismo quântico é tipicamente estudado porque o modelo se desfaz quando as interações são grandes. No entanto, descobrimos que o modelo de spin ainda é uma descrição válida em grandes forças de interação, embora a teoria para a anisotropia calculada se desfaça completamente.”
Essencialmente, as descobertas reunidas por Lee e seus colegas sugerem que os modelos teóricos que descrevem a dinâmica do spin são incompletos, pois nem sempre produzem estimativas confiáveis de anisotropia. Em seus trabalhos futuros, eles planejam explorar as limitações dos modelos existentes com mais profundidade, ao mesmo tempo em que descrevem o mecanismo por trás dos estados de hélice fantasma com mais profundidade.
Finalmente, o trabalho recente dessa equipe de pesquisadores também sugere uma ligação potencial entre estados de hélice fantasma e cicatrizes quânticas de muitos corpos. As cicatrizes quânticas de muitos corpos são um conjunto único de estados em que a ergodicidade de um sistema (ou seja, a impossibilidade de reduzi-lo em componentes menores) se rompe.
“Em dimensões mais altas ou para interações de longo alcance, um sistema não é mais integrável, o que significa que não possui mais quantidades conservadas especiais que impedem a termalização de um estado”, disse Lee. “No entanto, apesar da não integrabilidade desses sistemas, mostramos rigorosamente que existem estados de hélice fantasma análogos que não se termalizam. Estados não termalizantes em sistemas não integráveis de muitos corpos são exemplos de ‘cicatrizes quânticas de muitos corpos’ ,’ que estão atualmente sob intensa investigação pela comunidade quântica.”
Embora muitas outras equipes de pesquisadores tenham introduzido modelos que hospedam cicatrizes quânticas de muitos corpos, esses modelos provaram ser muito difíceis de realizar em ambientes experimentais. Em contraste, o modelo XXZ Heisenberg criado por Lee e seus colegas descreve um dos sistemas de muitos corpos mais simples de realizar, que também pode suportar cicatrizes.
“Considerando a longa e famosa história do modelo de Heisenberg, é surpreendente que isso tenha sido negligenciado até agora e seja muito promissor para estudos futuros da dinâmica quântica de muitos corpos”, disse Lee. “Agora estamos usando os estados de hélice fantasma como uma ferramenta sensível para medir a dinâmica de spin em regiões de interação forte, para as quais não existem tratamentos teóricos rigorosos. Isso já nos revelou surpresas ainda mais fundamentais sobre o comportamento de partículas em redes ópticas e planejamos enviar os resultados desta investigação para publicação nas próximas semanas.”
A observação experimental da equipe desses estados de hélice fantasma de longa duração pode em breve abrir caminho para vários estudos de acompanhamento de outros físicos em todo o mundo. Além disso, poderia levar ao desenvolvimento de técnicas alternativas e mais eficazes de simulação quântica.
“No futuro, graças à sua longa vida útil e robustez contra flutuações quânticas, os estados de hélice fantasma também podem ser usados para inicializar estados de muitos corpos de longa duração que são difíceis de preparar”, acrescentou Lee. “Além disso, podemos criar cicatrizes quânticas de muitos corpos generalizando nosso sistema para duas ou até três dimensões”.
Publicado em 14/08/2022 13h16
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