海森堡量子磁体中长寿命幻影螺旋态的实验观测

自旋螺旋状态的制备和观察。a-g，我们准备一个极角为九十度（a）或任意极角θ的横向自旋螺旋。黑色箭头表示原子（球体）自旋的方向。在自旋螺旋中初始化系统后，我们“放开”原子，观察自旋模式在海森堡XXZ哈密顿量（c-f）的作用下随时间衰减，然后通过用相机拍照来测量自旋偏振（g）。图片来源：Jepsen et al.

麻省理工学院（MIT），麻省理工学院 - 哈佛超冷原子中心，哈佛大学和斯坦福大学的研究人员最近揭示了海森堡量子磁体中存在独特的螺旋自旋态。他们的观察结果发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中，可能对量子多体系统中自旋相关物理过程和动力学的模拟产生重要意义。

“当我们开始这个项目时，我们的主要目标是研究量子磁学的动力学，”进行这项研究的两名研究人员Eunice （Yoo Kyung） Lee和Wen Wei Ho告诉 Phys.org。“量子磁性是我们今天使用的许多技术的基础，包括存储器存储设备，因此具有根本意义。

为了模拟量子磁性，可以将每个基本粒子描述为携带自旋（例如，像旋转的顶部），它可以指向不同的方向。在这种情况下，附近的两个自旋可以通过中间状态与两个粒子在同一位置交换它们的相对方向。

“这个想法是由一个简单的教科书模型捕获的，称为海森堡自旋模型，我们可以使用超冷原子在我们的实验平台中实现一个维度（即链），”Lee解释说。“一般来说，如果我们准备一个简单的自旋模式，假设所有自旋对齐，那么随着时间的推移，这种模式就会变得混乱：将有一个随机的自旋混合物指向所有不同的方向。这个过程被称为热化，最终破坏了信息。

观察幻像螺旋状态。a-e，当我们测量衰减率γ作为绕组角Q的函数时，我们看到衰减率最小值。最小值的位置告诉我们海森堡各向异性Δ是。对于（a-e），我们证明了我们观察到的Δ的不同值。图片来源：Jepsen et al.

伍珀塔尔大学和卢布尔雅那大学的一组理论物理学家最近的一项研究表明，存在一种简单的自旋模式，这种模式根本不会进化，因此受热化的影响较小。这些自旋在x-y平面上沿着链条螺旋，并具有一定的间距，被称为“幻影螺旋状态”。与其他状态相比，幻像螺旋状态理论上应该能够将信息存储很长一段时间。

“海森堡模型已有近一百年的历史，所以我们对这些令人惊讶的新'幻影螺旋状态'感到特别兴奋，并开始观察它们，”李说。“要做到这一点，我们必须准备一个具有特定波长的自旋螺旋状态，然后观察螺旋的对比度（即我们的正弦自旋模式的振幅）如何随着时间的推移而衰减。如果幻像螺旋状态存在，我们将在对比度的衰减率中看到最小值。我们确实观察到了这个最低限度，告诉我们我们找到了我们正在寻找的长寿幻影螺旋状态！

Lee和她的同事们最近的论文也建立在他们过去的研究的基础上，特别是在他们用来描述系统对比度如何随着时间的推移而衰减的策略方面。为了证实他们观察到的衰变率与理论预测一致，他们还使用了他们的合作者之一Wen Wei Ho在之前的一篇论文中进行的计算。

他们的新研究的目标是观察伍珀塔尔大学理论家在实验环境中预测的“幻影”螺旋状态（即贡献零能量但动量有限的状态）。为此，Lee和她的同事将超冷锂原子加载到3D光学晶格中，该晶格是使用三个强激光束驻波创建的。

用磁场调谐各向异性。当我们调整磁场时，我们调整粒子之间的相互作用，从而调整相互作用各向异性Δ。远离845G和894G（虚线垂直线）处的Feshbach共振，包括高阶校正（虚线）在内的理论非常适合我们的数据。实线表示没有任何高阶校正的数据。然而，在费什巴赫共振附近，与我们的预期值有很大的偏差。因此，幻像螺旋状态为我们提供了一种新工具，使我们能够发现令人惊讶的多体物理学，我们期望这将是最简单的已知多体模型之一。图片来源：Jepsen et al.

“我们通过旋转磁铁到横向平面来初始化自旋螺旋，然后将自旋缠绕，直到它们产生横向螺旋;这创造了我们的正弦自旋模式，“Lee说。“通过观察各种波长的自旋模式的衰变，我们提取了这些状态的特征寿命。具有最小衰减率的螺旋的缠绕角（或波矢量）是长寿命的幻影螺旋状态。

除了观察理论上预测的幻影螺旋状态外，Lee和她的同事还能够确定一种在他们的模型中测量相互作用各向异性的方法。这本质上是横向和纵向之间相互作用的强度，这转化为特定的自旋动力学。

“我们使用的海森堡模型在xy（横向）和z（纵向）方向之间具有不同的相互作用强度，”Lee说。“我们可以通过调整磁场和改变粒子之间的散射长度来改变这种相互作用各向异性Δ。这是我们哈密顿量中唯一重要的参数，因此控制了这个简单但丰富的系统中的所有自旋动力学。

过去，物理学家只能使用理论模型估计相互作用各向异性。然而，该团队研究人员收集的结果表明，幻像螺旋状态可用于直接测量该参数，这对于执行量子模拟尤为重要。在未来，Lee和她的同事的结果可以证明对于提高不同量子模拟的可靠性和保真度是无价的。

捕捉贝特幻影：量子磁体中的长寿命自旋螺旋图案。磁性的基本单位，即所谓的自旋（黑色箭头），通常在单个原子链（彩色球体）中四处移动并与其他自旋相互作用。然而，研究人员现在已经发现了一种高能量兴奋但寿命长的自旋模式，其中自旋风在所谓的自旋螺旋中，其中自旋根本不移动。背景显示了这种稳定的自旋螺旋图案的真实图像，揭示了自旋的高对比度周期性调制。图片来源：Jepsen et al.

“我们还发现高阶项对自旋动力学的重大贡献，”Lee说。“当两个粒子之间的相互作用很小时，理论可以很好地预测各向异性;这是通常研究量子磁的制度，因为当相互作用很大时，模型就会崩溃。然而，我们发现，在较大的相互作用强度下，自旋模型仍然是一个有效的描述，尽管计算出的各向异性的理论完全崩溃了。

从本质上讲，Lee和她的同事收集的发现表明，描述自旋动力学的理论模型是不完整的，因为它们并不总是产生可靠的各向异性估计。因此，在他们未来的工作中，他们计划更深入地探索现有模型的局限性，同时更深入地概述幻像螺旋状态背后的机制。

最后，这个研究小组最近的工作也暗示了幻影螺旋状态和量子多体疤痕之间的潜在联系。量子多体疤痕是一组独特的状态，其中系统的遍历性（即不可能将其还原为更小的组件）会崩溃。

“在更高的维度或更长距离的相互作用中，系统不再是可积的，这意味着它不再具有防止状态热化的特殊守恒量，”Lee说。“然而，尽管这些系统不可积性，但我们严格表明存在根本不热化的类似幻像螺旋状态。不可积分的多体系统中的非热化态是'量子多体疤痕'的例子，量子社区目前正在对其进行深入研究。

超冷原子活着！一团超冷的锂原子是可见的，就像一个鲜红色的发光点，被困在真空室的中间，温度为毫开尔文，比星际空间冷一千倍以上。这些原子进一步冷却到纳米开尔文温度，并组装成磁性材料进行进一步研究。图片来源：Nathan Fiske。

虽然许多其他研究小组已经引入了具有量子多体疤痕的模型，但这些模型已被证明在实验环境中很难实现。相比之下，由Lee和她的同事创建的XXZ海森堡模型描述了最简单的多体系统之一，它也可以支撑疤痕。

“考虑到海森堡模型悠久而著名的历史，令人惊讶的是，到目前为止，这一点被忽视了，对于量子多体动力学的未来研究非常有希望，”李说。“我们现在使用幻像螺旋状态作为测量强相互作用区域自旋动力学的敏感工具，对于这些区域，不存在严格的理论处理。这已经向我们揭示了关于光学晶格中颗粒行为的更根本性的惊喜，我们计划在未来几周内提交这项研究的结果发表。

红色和绿色激光束从许多不同的方向发送到真空室，这就是研究人员控制和观察超冷原子的方式。图片来源：Nathan Fiske。

该团队对这些长寿的幻影螺旋状态的实验观察可能很快为全球其他物理学家的大量后续研究铺平道路。此外，它可能导致开发替代和更有效的量子模拟技术。

“在未来，由于它们的长寿命和对量子涨落的鲁棒性，幻影螺旋状态也可以用来初始化长寿命的多体状态，否则很难准备，”Lee补充道。“此外，我们可能会通过将我们的系统推广到二维甚至三维来制造量子多体疤痕。

更多信息：Paul Niklas Jepsen等人，海森堡量子磁体中的长寿幻影螺旋状态，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01651-7

Vladislav Popkov等人，Phantom Bethe激发和可积周期性和开放自旋链中的自旋螺旋特征态，物理评论B（2021）。DOI： 10.1103/PhysRevB.104.L081410

Paul Niklas Jepsen等人，用超冷原子实现的可调谐海森堡模型中的自旋传输，Nature（2020）。DOI： 10.1038/s41586-020-3033-y

Paul Niklas Jepsen等人，用超冷原子实现各向异性海森堡模型中的横向自旋动力学，物理评论X（2021）。DOI： 10.1103/PhysRevX.11.041054

期刊信息： 物理评论B ， 自然物理学 ， 物理评论X ， 自然