- 麻省理工学院和哈佛大学的研究人员已经研究了磁性的基本单位，即自旋（黑色箭头），如何在单原子链（彩色球体）中四处移动并与其他自旋相互作用。背景显示了自旋的真实图像，显示了蓝色原子（自旋向上）的高对比度周期性调制。
一项新的研究揭示了旋转原子间令人惊讶的编排。在《自然》杂志上发表的一篇论文中，来自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上的磁力如何影响原子自旋的方向。
在对超低温锂原子的实验中，研究人员观察到原子自旋演化的不同方式。就像芭蕾舞者旋转着回到直立的位置，旋转的原子以一种取决于单个原子之间磁力的方式回到平衡方向。例如，原子可以以极快的、“弹道”的方式或以较慢的、更分散的方式旋转进入平衡状态。
研究人员发现，这些迄今为止尚未观测到的行为，可以用海森堡模型进行数学描述，该模型是一组常用来预测磁行为的方程。他们的研究结果揭示了磁性的基本性质，揭示了最简单磁性材料之一的多样性行为。
这有助于工程师设计“自旋电子”装置，利用量子粒子的自旋来传输、处理和存储信息，而不是利用电子流动。
“研究最简单的磁性材料之一，我们提高了对磁性的理解，”沃尔夫冈·凯特尔说，他是麻省理工学院的物理学教授，也是麻省理工学院团队的领导者。“当你在最简单的磁性物理模型中发现新现象时，你就有机会全面描述和理解它。”
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，这就给了它们一个方向，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现象，包括平衡态和动态行为。
研究人员研究的正是后一种模式。波状自旋模式的动力学对原子间的磁力非常敏感。在各向同性磁力作用下，波状图案的褪色速度要比在各向异性磁力作用下快得多。
研究人员旨在通过一项实验来研究这一现象，他们首先使用激光冷却技术将锂原子降低到50纳开尔文（比星际空间的温度低1000万倍以上）。
在如此低温的温度下，原子被冻结成几乎静止的状态，因此研究人员可以详细地观察到任何磁效应，否则原子的热运动就会掩盖这些磁效应。然后，研究人员使用一种激光系统来捕捉并排列多个由40个原子组成的弦，就像弦上的珠子一样。他们总共生成了一个由大约1000条弦组成的晶格，由大约40000个原子组成。
然后，他们对整个晶格施加一种无线电波模式和脉冲磁力，诱导弦上的每个原子自旋成螺旋（或波状）模式。这些弦的波状图案与“自旋”原子的周期性密度调制相对应，这些原子形成条纹图案，研究人员可以在探测器上成像。然后他们观察当原子的自旋接近平衡状态时，条纹图案是如何消失的。
他们把这个实验比作拨动吉他弦。如果研究人员要观察处于平衡状态的原子的自旋，这并不能告诉他们很多关于原子间磁力的信息，就像一根静止的吉他弦不能揭示它的物理特性一样。通过拉弦，使它脱离平衡状态，观察它是如何振动并最终恢复到原始状态的，我们可以了解弦的物理特性的一些基本知识。
在他们的实验中，研究人员改变脉冲磁力的强度，以改变原子自旋图样中条纹的宽度。他们测量了这些图案消退的速度和方式。根据原子间磁力的性质，他们观察到量子自旋如何恢复平衡的显著不同的行为。
他们发现了一种介于弹道行为和扩散行为之间的过渡。弹道行为中，自旋迅速回到平衡状态；扩散行为中，自旋的传播更加不稳定，整个条纹图案慢慢地扩散回到平衡状态，就像一滴墨水慢慢地溶解在水中。
其中一些行为在理论上是可以预测的，但直到现在还没有观察到细节。其他一些结果完全出乎意料。更重要的是，研究人员发现他们的观察结果在数学上与他们用海森堡模型计算出的实验参数相吻合。他们与哈佛大学的理论学家合作，后者对自旋动力学进行了最先进的计算。
除了在基本水平上推进对磁性的理解，该团队的研究结果可能被用于探索新材料的性质，作为一种量子模拟器。这样一个平台可以像计算材料行为的特殊用途量子计算机一样工作，以一种超越当今最强大计算机的能力的方式。
