Các nguyên tử cực lạnh mô phỏng tương tác từ

Sơ đồ thể hiện một chất phản sắt từ (phía trên) trong đó các mômen từ hướng xen kẽ nhau. Cấu hình này có thể mô phỏng trong một chất cách điện Mott gồm những nguyên tử cực lạnh đã bị “nghiêng” đí. Các nút mạng trống tương ứng với “xuống”, còn những nút mạng lấp đầy thì ứng với “lên”. (Ảnh: Markus Greiner).

Những tương tác từ thường thấy ở sâu bên trong các chất rắn lần đầu tiên đã được mô phỏng bằng những nguyên tử cực lạnh. Bằng cách “nghiêng” một chuỗi 1D gồm các nguyên tử, các nhà vật lí ở Mĩ đã tạo ra một cấu trúc na ná một chất phản sắt từ lượng tử. Các nhà nghiên cứu cho biết kĩ thuật trên có thể mở rộng cho các mạng 2D của các nguyên tử và có thể mang lại những kiến thức quan trọng về bản chất của lực từ.

Trong thập niên vừa qua, các nhà vật lí đã sử dụng laser và từ trường để bẫy những tập hợp nguyên tử và làm lạnh chúng xuống gần không độ tuyệt đối. Bằng cách thao tác thận trọng với ánh sáng laser và từ trường, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển sự tương tác giữa các nguyên tử - cho phép chúng mô phỏng những tương tác xảy ra giữa các electron hoặc ion trong các chất rắn. Nhưng không giống như các chất rắn, độ lớn của những tương tác này có thể điều chỉnh dễ dàng, cho phép các nhà vật lí kiểm tra các lí thuyết của ngành vật lí vật chất hóa đặc trong những “vật mô phỏng lượng tử” như thế này.

Trong mô phỏng mới nhất này, Markus Greiner cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Harvard bắt đầu với một đám mấy nguyên tử rubidium-87 mà họ đã làm lạnh xuống dưới 100pK. Sau đó, họ chiếu một laser vào một mặt nạ hologram để tạo ra một mạng quang 1D, đó là một dải gồm khoảng 100 vùng sáng và tối xen kẽ cách nhau 680 nm. Các nguyên tử tự sắp xếp ở những khoảng cách đều đặn với mỗi vùng tối – hay “giếng thế” – chứa đúng một nguyên tử. Mặc dù nguyên tử có thể chui hầm qua vùng sáng để gia nhập với láng giềng của nó, nhưng nó không ưu tiên làm như vậy do chi phí năng lượng cao của hai nguyên tử chiếm cùng một giếng thế. Trạng thái này của vật chất được gọi là chất cách điện Mott và đã được nghiên cứu rộng rãi sử dụng các nguyên tử cực lạnh.

Trạng thái thuận từ

Một nguyên tử chiếm giữ giếng thế ban đầu của nó có thể xem là một mômen từ hướng “lên” và một nguyên tử chui hầm sang giếng lân cận là một mômen hướng xuống. Do đó, chất cách điện Mott là một vật tương tự của trạng thái thuận từ trong đó một từ trường ngoài buộc mọi mômen từ trong chất liệu hướng theo cùng một chiều.

Sau đó, đội nghiên cứu “nghiêng” mạng đi bằng cách thiết lập một gradient từ trường lên các nguyên tử, khuyến khích các nguyên tử chuyển động theo một chiều dọc theo dải. Nếu năng lượng nghiêng đó lớn hơn năng lượng tương tác, thì mỗi giây nguyên tử chui hầm sang giếng thế lân cận của nó – kết quả là những giếng liên tiếp nhau lần lượt không có và có hai nguyên tử. Theo Greiner, đây là một sự tương ứng với một chất phản sắt từ 1D – một sự sắp xếp các spin hướng lên và hướng xuống theo kiểu xen kẽ.

Bằng cách điều chỉnh độ lớn tương đối của năng lượng nghiêng và năng lượng tương tác, đội khoa học đã thu được sự chuyển tiếp từ pha thuận từ sang pha phản sắt từ. Điều này xảy ra qua một sự chuyển pha lượng tử khi năng lượng nghiêng và năng lượng chui hầm bằng nhau. Tại điểm chuyển tiếp, các thăng giáng lượng tử về vị trí của các nguyên tử phát triển nhanh chóng, đưa hệ từ cấu hình này sang cấu hình khác. Những thăng giáng lượng tử như vậy tương ứng với từng spin đồng thời hướng theo những chiều khác nhau – một sự chồng chất lượng tử. Tình huống này chưa bao giờ xảy ra trong thế giới vật lí học cổ điển, nhưng nó mang lại những tính chất thú vị của các nam châm lượng tử.

Mô hình Ising lượng tử

Tương tác hiệu dụng giữa các mômen lên và mômen xuóng tùy thuộc vào hai giếng láng giềng nhất có bị chiếm giữ hay không. Kết quả là Greiner và đội của ông đã mô phỏng “mô hình Ising lượng tử” đó – mang lại một lời giải thích đơn giản nhưng hữu ích của lực từ.

Greiner cho biết bước đi tiếp theo của nhóm ông là khảo sát các trạng thái kích thích trong hệ trên. “Chúng tôi có thể lật mômen đơn lẻ và xem chuyện gì xảy ra”, ông nói. Việc có được những hiểu biết tốt hơn về những kích thích như vậy có thể mang lại những kiến thức quan trọng về các chất liệu từ thực tế.

Nhóm nghiên cứu còn có kế hoạch mô phỏng sự phản sắt từ 2D bằng cách đặt các nguyên tử cực lạnh trong một mạng quang 2D. Bằng cách nghiên cứu một mạng hình tam giác, chẳng hạn, đội khoa học có thể thu về kiến thức mới về những hệ từ tính “bó tay”, trong đó một mômen không thể giảm thiểu năng lượng của nó so với những láng giềng gần gũi nhất của nó.

Nguồn: physicsworld.com