麻省理工学院的科学家认为，降到冰点温度并暴露在磁场中的原子表现出有趣的行为模式。
众所周知，自旋磁场中的原子以科学家尚未完全理解的方式表现出来。麻省理工学院的最新研究现在揭示了支配最小粒子的晦涩法律，这可能为依赖原子自旋的量子器件设计的进一步发展铺平道路。
研究小组将旋转的锂原子暴露在不同强度的磁力下，以观察量子粒子如何单独和成组反应。在每种情况下，它们都面临着令人惊讶的原子编排，从而揭示了在众所周知且经过研究的磁性材料中行为的出乎意料的多样性。
像质量或电荷一样，自旋是原子的固有属性：粒子以顺时针方式(通常称为“向下”)或逆时针方向(“向上”)绕轴旋转。根据原子的自旋，原子可以以不同的方式对磁场作出反应，例如通过使自身与其他原子对齐成特定的图案。
在暴露于磁场的磁性材料中，许多原子一起旋转，可以达到平衡状态，在此状态下，所有原子的自旋都对齐。或原子可以采取动态行为，其中许多原子上的自旋会产生波浪状的图案。
麻省理工学院的研究团队专注于原子从动态行为演化回到平衡状态的方式，并发现原子所承受的磁力在确定粒子行为方面起着关键作用。一些磁体触发了所谓的“弹道”行为，原子旋转迅速将其弹回平衡状态，而另一些磁体则显示出“扩散行为”，粒子以慢得多的速度旋转回到平衡状态。
麻省理工学院物理学教授，研究小组负责人沃尔夫冈·凯特尔说：“研究最简单的磁性材料之一，我们已经对磁性有了更深入的了解。” “当您在物理学中最简单的磁学模型中发现新现象时，就有机会充分描述和理解它。这就是让我早上起床，并使我兴奋的原因。”
为了研究这种现象，凯特勒(Ketterle)的研究小组将锂原子的温度降低到比星际空间低十倍以上的温度，这使粒子冻结到几乎静止，并使观察变得更容易。然后，科学家们使用激光作为一种镊子，抓住了原子并将它们排列成串珠。该团队使用1,000个字符串(每个字符串包含40个原子)，创建了一个超冷的40,000-strong原子晶格。
然后，将不同强度的脉冲磁力施加到晶格上，使沿着弦的每个原子以波状方式倾斜其自旋。研究人员能够在探测器上对这些波形进行成像，并观察原子如何从动态行为演变为平衡，这取决于它们所受到的磁场的性质。
凯特勒解释说，这个过程类似于拔出吉他的弦：弹奏弦会使它们脱离平衡状态，并使科学家能够观察到它们返回原始状态之前会发生什么。
凯特勒说：“我们在这里所做的是，我们正在抽出一连串的自旋。我们将这种螺旋模式放入其中，然后观察这种模式是如何随时间变化的。” “这使我们能够看到自旋之间不同磁力的影响。”
尽管过去已经从理论上预测了这种行为中的某些行为，但是到目前为止，从未详细观察到原子自旋模式的详细观察。但是，发现这些模式适合称为海森堡模型的现有数学模型，该模型通常用于预测磁行为。
麻省理工学院的研究人员与哈佛大学的一组科学家一起能够计算出自旋的动力学。因此，这些结果不仅有助于从根本上提高对磁性的认识;但是它们也可以用作设备的蓝图，该设备可以在量子水平上预测新材料的特性和行为。
“由于目前对量子信息科学有希望在将来解决实际问题的前景感到兴奋，今天看到这样的工作实际上正在实现是令人高兴的，”物理学部物理学计划官约翰·吉拉斯皮说。国家科学基金会，该研究的资助人。
研究人员说，对量子粒子的更高层次的理解也可能导致新技术的设计，例如自旋电子器件。与利用电子流动的电子学不同，自旋电子学利用量子粒子的自旋来传输，处理和存储信息。因此，它们为量子计算提供了希望，其中粒子的自旋将构成一些量子信息。