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探索用冷原子制造铁磁体

来源:环球科学

斯托纳铁磁性(图片来源:APS/Alan Stonebraker)

 

超冷费米原子气体(费米气体)为探索多体效应(many-body behavior)提供了广阔的机遇。利用现代实验工具,研究人员可以创造原子之间的相互作用力,引力或斥力,并且可以在几个数量级里调节这种相互作用的强度。一个长期的目标是利用这个可调性来驱使原子进入铁磁性状态,在这种状态下,排斥作用会使原子将它们的磁矩指向相同方向。对冷原子铁磁性的认识将提供一个独特的机会研究磁性背后的微观原理(机制),并建立基准理论模型。但是,在实验中这些原子倾向快速结合成弱束缚分子,这掩盖了磁效应。欧洲非线性光谱学实验室(European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy)的Matteo Zaccanti和他的同事以及意大利佛罗伦萨大学(the University of Florence)目前已经开发出新的技术,该技术能将分子与原子的信号区分开来,这使他们能观察到代表原子铁磁性相位的磁相互作用。

在微观层面上,关于磁体的许多问题还有待解决,例如什么能导致磁矩的长期排列。超冷费米气体中的二能级原子能模拟磁体里自旋的 -1/2电子,因此可以在现实中模拟并解决这个问题和其他问题。实验学家设立一个特定的原子间相互作用,并在原子演化到预期相位时监控气体。这种量子“模拟器”有一个好处是,它们避免了理论上多体模型的困难计算,尤其是像电子这样的费米粒子。

1933年Edmund Stoner提出的流动铁磁体模型被认为特别适合进行原子模拟,该模型适用于相互排斥的自由电子气体。当相互作用的强度突破临界值时,随机移动的电子会呈相同方向自旋,也就是说,它们会转化为铁磁性状态。由于单位电子——遵循泡利不相容的原理——不能占据相同的量子状态,因此自旋一致的电子必须扩散到更高的能级。这虽然增加了它们的动能,但消除了相互作用的能量,而从整体上来说,足够强的相互作用抵消了动能的增加。Stoner对这种情况下的平均场处理表明了,在kFa=π∕2时,会产生铁磁不稳定性。(其中a是相互作用强度的度量,而kF,费米波矢量,是粒子密度的尺度)

在2005年提出的用超冷费米原子模拟Stoner铁磁性的倡议引发了一系列的实验。这个想法是通过费什巴赫共振(Feshbach resonance)来调节相互作用强度a,其中外部磁场将在自由态与束缚状态的原子之间产生共振。在早期的实验中,研究人员观察到,在排斥作用强度增加时会对原子碰撞产生抑制。这种相关性或负相关性的减少被解释为类Stoner铁磁性的开端,由于泡利不相容原理,同向自旋的电子被禁止相互作用。但是,研究人员很快意识到这些发现也可以被解释为原子成对态的形成。随后的实验小心地考虑了成对原子的污染。这些实验要么隔离原子信号,要么从具有同向自旋的原子群开始,然后随着时间的推移,探测这些“人工”铁磁性物质的稳定性(参考文献7-9)。这种测量能根据单原子之间的负相关特征推断出某种形式的铁磁性,但原子形成分子的趋势(原因)仍然是一个持久的难题。

在他们的论文里,Zaccanti和同事们利用新的方法观察冷费米原子中的铁磁性。与之前的实验一样的,他们通过费什巴赫共振来使气体里的锂原子相互排斥,并对气体进行射频光谱分析。产生的光谱有两个不同的峰值,一个来自分子态原子,另一个来自相互排斥的原子,第二个波峰的形状与位置携带了与原子相关性有关的信息。这种光谱也曾被测量过,但是研究人员将他们的光谱测量并入“泵—探测”实验。具体而言,他们通过激发原子间的排斥来“泵出”气体,然后在一定时间延迟后,通过测量射频光谱来“探测”气体。这个方法让研究人员能在短时间里跟踪原子峰值的时间演化和负相关性的建立。

多亏他们的方法解决了时间分辨问题,实验人员发现磁性原子之间的负相关性确实是自发的出现在相互作用强度的临界值上。并且这些负相关性的增长速率大约是分子形成速率的两倍,这使得测量原子信号变得可能。而且从负相关性的形成时间开始,每个排斥的费米原子之间负相关性存在很长的时间尺度。此外,研究人员发现分子对和量子气体中的原子被空间上被不同区域分割开来,形成了琉璃态(glassy state),像分散在单原子海洋的成对微乳剂(图一)。

在许多方面,Zaccanti和他的同事们比以往任何时候都要接近于Stoner模型所描述的铁磁性:他们看到抗磁性的产生,也就是原子的同向自旋排列。但它们所达到的混合相位远不及Stoner所预测的单一铁磁性相位。研究团队的成果提醒我们,对于所有著名的超冷原子系统的精确性和多用性,我们必须谨慎对待其局限性。一开始,流动铁磁性的问题似乎与超冷费米原子很匹配,正如我们从中学到的,对于Stoner铁磁性简单的模拟并不可行,因为这些排斥的费米气体总是被分子渗透。但是,正如这项实验表明的,坚持与独创性得到了回报:像量子“乳剂”这样的新型的多体关联可能潜藏在这种系统中,它们本身也很让人感兴趣,并且,随着新的技术的出现,研究复杂且难以预测的行为也变得可能,这使得多体系统的探究让人着迷。

这份研究发表在《物理评论快报》中。


作者:Lindsay LeBlanc(埃德蒙顿阿尔伯塔大学物理学系)

翻译:王麟涛

审校:郝豪

引进来源:American Physical Society

引进链接https://physics.aps.org/articles/v11/131

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