捕獲里德堡分子自旋動力學的新理論模型

Rydberg分子是由數(shù)十個或數(shù)百個與Rydberg原子鍵合的原子組成的巨型分子。這些分子具有一個永久性偶極子(即一對相反電荷或磁化的極)，因為它們的一個原子處于高激發(fā)態(tài)。

物理學家多年來一直在理論和實驗上研究里德伯格分子。然而，大多數(shù)研究這些分子的研究僅關(guān)注于不涉及量子自旋的情況，因為里德堡分子的多體性質(zhì)使得分析其自旋動力學特別具有挑戰(zhàn)性。

在最近的理論研究中，東京大學，中國科學院，馬克斯·普朗克研究所和哈佛大學的研究人員使用一種結(jié)合了新方法的方法，能夠捕獲里德堡電子自旋動力學與原子的軌道運動之間的相互作用。高斯ansatz的雜質(zhì)去耦轉(zhuǎn)換。他們的論文發(fā)表在《物理評論快報》和《物理評論A》上，介紹了一種新的理論模型，該模型也可以應(yīng)用于其他量子多體問題。

進行這項研究的研究人員之一的Yuto Ashida說：“由于Rydberg分子固有的多體性質(zhì)，因此對自旋動力學的分析仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。” “我們研究的主要目的是解決這個問題，加深我們對多刺里德堡氣體中失衡自旋動力學的理解。”

研究可旋轉(zhuǎn)里德伯格氣體中失衡自旋動力學的主要挑戰(zhàn)是物理學家必須考慮原子的軌道運動和同時通過超長距離耦合介導(dǎo)的雜質(zhì)-環(huán)境糾纏。到目前為止，這使得捕獲里德伯格分子的自旋動力學非常困難。

“據(jù)我們所知，沒有適用于這種新型量子多體問題的理論方法，” Ashida解釋說。“這就是為什么我們開發(fā)了一種新的變分方法來解決一般類型的玻色子量子雜質(zhì)問題的原因。”

Ashida和他的同事們引入的新的理論方法是基于“解糾纏規(guī)范變換”的思想，該思想是由同一研究團隊在之前的論文中提出的，該論文也在PRL上發(fā)表。解開典范變換利用奇偶校驗對稱性完全消除了雜質(zhì)和環(huán)境的自由度，最終使研究人員能夠以非常有效的方式克服與捕獲里德堡氣體中的自旋動力學有關(guān)的問題。

Ashida和他的同事用來捕獲Rydberg電子自旋動力學和Rydberg分子中原子的軌道運動的相互作用的變分方法將解纏的規(guī)范變換與高斯ansatz結(jié)合起來用于粒子浴。該方法使研究人員可以揭示傳統(tǒng)雜質(zhì)問題中不存在的幾個功能。

這些特征之一是相互作用引起的吸收光譜的重新歸一化，而從分子結(jié)合態(tài)可以簡單地解釋。使用他們的變分方法，研究人員還能夠觀察到里德堡電子自旋的持久振蕩。

“我們的研究最有趣的發(fā)現(xiàn)是，盡管當前相互作用的多體問題具有不可整合的性質(zhì)，但自旋進動動力學的壽命卻出乎意料的長，” Ashida說。“我們將這一特征解釋為所謂的中心自旋問題的可積性的殘余，如果我們在模型中采用無限質(zhì)量極限，則可以得到這一特征。”

Rydberg 分子中自旋進動動力學的持續(xù)時間驚人得很長，這一發(fā)現(xiàn)可能會影響物理的幾個子領(lǐng)域，包括原子，分子和光學(AMO)物理學。實際上，復(fù)雜多體系統(tǒng)中弛豫和熱化的存在仍然是AMO物理學和統(tǒng)計物理學領(lǐng)域的活躍研究領(lǐng)域。

將來，研究人員開發(fā)的變分模型及其進行的分析也可以應(yīng)用于原子物理學和量子化學中的其他系統(tǒng)。對于其中高軌道量子數(shù)的電子激發(fā)與自旋量子浴相互作用的系統(tǒng)而言，尤其如此。

Ashida說：“在接下來的研究中，我們希望進一步擴展模型以包括Rydberg電子的非零角動量。” “其他開放性研究問題包括將我們的問題推廣到鐵離子浴，將我們的一般變分方法應(yīng)用于其他挑戰(zhàn)性量子雜質(zhì)問題。我們希望我們的研究將在這些方向上激發(fā)進一步的研究。”