Rice物理学家的RAMBO揭示了磁现象对量子模拟和传感有用

　　莱斯大学领导的一项研究发现，在强磁场下，正铁氧体中存在一种独特的可调谐和超强自旋-自旋相互作用。这一发现对量子模拟和传感具有意义。资料来源:元明班巴/京都大学
　　有时候事情有点不正常，但结果却恰恰是你需要的。
　　莱斯大学实验室发现的正铁氧体晶体有轻微的错位，就是这种情况。这些晶体无意中成为一项发现的基础，这一发现应该会与研究基于自旋电子学的量子技术的研究人员产生共鸣。
　　Rice的物理学家Junichiro Kono，校友Takuma Makihara和他们的合作者发现了一种正铁氧体材料，在这种情况下是氧化钇铁，放置在高磁场中显示出独特的可调谐的，在晶体中马子之间的超强相互作用。
　　正铁氧体是添加了一种或多种稀土元素的氧化铁晶体。
　　马格纳子是准粒子，幽灵般的结构，代表了晶格中电子自旋的集体激发。
　　其中一个与另一个的关系是发表在《自然通讯》杂志上的一项研究的基础。在这项研究中，Kono和他的团队描述了两个由反共振主导的magnons之间的一种不寻常的耦合，通过这种耦合，两个magnons同时获得或失去能量。
　　通常，当两个振荡器共振耦合时，一个以另一个为代价获得能量，节约了总能量，Kono说。
　　但在反共振(或反向旋转)耦合中，两个振荡器可以通过与量子真空的相互作用同时获得或失去能量，量子力学预测存在零点场。
　　可以把它想象成一个短暂的跷跷板，可以被迫在中间弯曲。
　　Makihara和北海道大学的Kenji Hayashida以及京都大学的物理学家Motoaki Bamba利用这一发现，通过理论表明耦合磁-磁系统基态中存在显著量子压缩的可能性。
　　Kono说，在压缩状态下，可以抑制与马格纳子相关的可测量量的涨落或噪声量，同时抑制另一个量增加的噪声量。＂这与海森堡不确定性原理有关，在该原理中，一组变量是相关的，但如果你试图精确测量一个变量，你会丢失另一个变量的信息。如果你挤压其中一个，对另一个的不确定性就会增加。
　　＂通常，为了创造一个量子压缩态，必须使用激光束强烈地驱动系统。但佐藤琢磨的体系在本质上受到了挤压;也就是说，它可以被描述为一个已经受到挤压的国家。＂＂这可能成为量子传感应用的一个有用平台。＂
　　Makihara说，这种独特的状态是通过一个类似于磁共振成像的强磁场来实现的。磁场对原子的磁矩施加力矩，在这种情况下是正铁氧体的磁矩。这导致它们旋转(或进动)。
　　这需要一个强大的领域。河野实验室的rambos - Rice Advanced Magnet with Broadband optic -是与日本东北大学的物理学家Hiroyuki Nojiri共同开发的一种独特的光谱仪，它允许研究人员将冷却到接近绝对零度的材料暴露在高达30特斯拉的强磁场中，并结合超短激光脉冲。
　　＂我们当时在说，‘我们可以通过兰博研究什么?在这个独特的区域里有什么新的物理现象?现在是斯坦福大学(Stanford University)研究生的牧原诚司(Makihara)说。＂正铁氧体的磁子位移高达30特斯拉，频率在太赫兹范围内。最初的测量结果并不有趣。
　　＂但后来我们得到了晶体(由上海大学物理学家曹世勋和他的团队培育)，它们的表面并不是完全平行的，＂他说。＂它们被剪成一个角度。有一天，我们以这样一个角度把晶体加载到磁铁上磁场不是沿着晶体轴的。
　　Makihara说:＂我们原以为马努子的频率会随着磁场的变化而上升，但当它倾斜时，我们看到了一个小的差距。＂＂所以，在与Bamba教授讨论了这一发现后，我们明确要求晶体以不同的角度切割并测量这些角度，并看到了这种巨大程度的反交叉。这就是超强耦合的特征。＂
　　研究人员指出，反共振总是存在于光物质和物质-物质相互作用中，但与占主导地位的共振相互作用相比是次要的。科诺实验室研究的正铁氧体并非如此。
　　将材料暴露在高磁场中，倾斜晶体相对于场泵出的反共振等于甚至超过共振。
　　如果引入额外的旋转磁场(例如圆偏振光)，进动力矩与与力矩一起旋转的场(同向旋转场)强烈相互作用，而它们与与力矩相反方向旋转的场(反向旋转场)弱相互作用。
　　在量子理论中，Bamba说，这些所谓的反向旋转的相互作用导致了奇异的相互作用，光和物质子系统可以同时获得或失去能量。磁矩和反向旋转场之间的相互作用被认为是反共振的，通常影响很小。然而，在Rice研究的物质-物质耦合系统中，反共振相互作用占主导地位。
　　＂在一个系统中，同向旋转和反向旋转相互作用的强度通常是一个固定的常数，而同向旋转相互作用的影响总是支配着反向旋转相互作用的影响，＂Kono说。＂但这个系统是违反直觉的，因为有两种独立的耦合强度，它们难以置信地可通过晶体方向和磁场强度调节。我们可以创造一种新的情况，反向旋转项的影响比同向旋转项的影响更大。
　　他说:＂在光物质系统中，当光和物质的频率相等时，它们会混合在一起形成一个极化子。＂＂在我们的例子中也发生了类似的事情，但这是在物质和物质之间。两个马格纳模式杂化。有一个长期存在的问题，当杂化程度变得如此之高，甚至超过共振能时会发生什么。
　　他说:＂在这种状态下，由于反向旋转的相互作用，奇异现象预计会发生，包括压缩真空状态和相变到静态场自发出现的新状态。＂＂我们发现，我们可以通过调节磁场来达到这样的条件。＂
　　这项新研究推进了科诺团队观察Dicke超辐射相变的努力，这种现象可以创造一种新的奇异物质状态，并导致量子存储和转导方面的进步。2018年，该实验室在物质-物质耦合中发现了一种很有前景的实现方法，并在《科学》杂志上发表了这一发现。
　　Kono说，这一发现还表明，磁场中的正铁氧体可以作为一个量子模拟器，这是一个简单且高度可调的量子系统，它代表了一个具有难以处理的相互作用粒子数量或实验上无法获得的参数的更复杂的系统。
　　他说，正铁氧体中的可调谐磁-磁耦合可用于洞察超强耦合光-物质混合基态的本质。
　　河野说，他们的发现也将促使人们寻找更多能显示这种效应的材料。＂稀土正铁氧体是一个大家庭的材料，我们只研究了一种，＂他说。