Συλλογική συμπεριφορά σπιν σε υπέρψυχρο κβαντικό αέριο συμπύκνωμα Bose-Einstein έχουν εντοπίσει ερευνητές

Ερευνητές έχουν εντοπίσει συλλογική ταλάντωση σπιν, που δεν είχαν ποτέ πριν δει, σε συμπύκνωμα Bose-Einstein ατόμων χρωμίου. Σε ένα υπέρψυχρο κβαντικό αέριο, η συλλογικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων μπορεί να οδηγήσει σε πολλές μορφές ασυνήθιστης συμπεριφοράς, όπως η υπερρευστότητα. Ερευνητές τώρα έχουν παρατηρήσει ένα νέο συλλογικό φαινόμενο σε ένα σπινοριακό (spinor) αέριο – ένα υπέρψυχρο ατομικό νέφος που έχει τόσο μαγνητικές ιδιότητες όσο και ιδιότητες υπέρρευστου. Ο Laurent Vernac και οι συνάδελφοί του από το Πανεπιστήμιο 13 του Παρισιού ανακάλυψαν ότι ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να διεγείρει μια συλλογική ταλάντωση σπιν στο αέριο.

Η ομάδα παρασκεύασε ένα σχήματος (οβάλ) μπάλας ποδοσφαίρου συμπύκνωμα Bose-Einstein ψύχοντας άτομα χρωμίου σε 400 nK. Ευθυγράμμισαν τα σπιν όλων των ατόμων με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο του οποίου η ισχύς αυξάνονταν βαθμιαία κατά μήκος του συμπυκνώματος. Στη συνέχεια περιέστρεψαν τα σπιν κατά 90 μοίρες χρησιμοποιώντας παλμούς ραδιο-συχνότητας και παρατήρησαν τη δυναμική των ατόμων. Σε ένα ομογενές πεδίο, τα άτομα θα έπρεπε να ταλαντωθούν με την ίδια συχνότητα και τα σπιν τους θα έπρεπε να παραμένουν παράλληλα. Σε ένα χωρικά μεταβαλλόμενο πεδίο, τα άτομα, με την έλλειψη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων, θα έπρεπε να αναμένεται να ταλαντώνονται σε διαφορετικές συχνότητες – παραμορφώνοντας τον παραλληλισμό. Όμως αυτά τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα άτομα συμπεριφέρθηκαν διαφορετικά. Τα σπιν τους παρέμειναν στο μεγαλύτερο ποσοστό παράλληλα, ενώ ταλαντώνονταν γύρω από τις αρχικές τους διευθύνσεις με πλάτος που εξαρτιόταν από τη θέση.

Η ομάδα αποδίδει τη συμπεριφορά αυτή στη δράση των ατόμων του νέφους ως «σιδηρορευστό», ένα υγρό που μαγνητίζεται έντονα όταν υποβάλλεται σε μαγνητικό πεδίο. Σε μια τέτοια κβαντική κατάσταση, ισχυρά εξαρτώμενες από τα σπιν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων κλειδώνουν στις διευθύνσεις των σπιν, οδηγώντας στη συλλογική ταλάντωση των σπιν. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι τα σπινοριακά αέρια μπορεί να εμφανίσουν συλλογικές διεγέρσεις παρόμοιες με αυτές των σιδηρομαγνητών στερεάς κατάστασης ή των σιδηρορευστών, ακόμη και αν τα αέρια αυτά είναι τυπικά 10 εκατομμύρια φορές περισσότερο αραιωμένα από ότι οι ομόλογοί τους της συμπυκνωμένης ύλης.