麻省理工學院和哈佛大學的研究人員已經研究了磁性的基本單位，即自旋（黑色箭頭），如何在單原子鏈（彩色球體）中四處移動並與其他自旋相互作用。背景顯示了自旋的真實影象，顯示了藍色原子（自旋向上）的高對比度週期性調製。

一項新的研究揭示了旋轉原子間令人驚訝的編排。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，來自麻省理工學院和哈佛大學的研究人員揭示了量子原子尺度上的磁力如何影響原子自旋的方向。

在對超低溫鋰原子的實驗中，研究人員觀察到原子自旋演化的不同方式。就像芭蕾舞者旋轉著回到直立的位置，旋轉的原子以一種取決於單個原子之間磁力的方式回到平衡方向。例如，原子可以以極快的、“彈道”的方式或以較慢的、更分散的方式旋轉進入平衡狀態。

研究人員發現，這些迄今為止尚未觀測到的行為，可以用海森堡模型進行數學描述，該模型是一組常用來預測磁行為的方程。他們的研究結果揭示了磁性的基本性質，揭示了最簡單磁性材料之一的多樣性行為。

這有助於工程師設計“自旋電子”裝置，利用量子粒子的自旋來傳輸、處理和儲存資訊，而不是利用電子流動。

“研究最簡單的磁性材料之一，我們提高了對磁性的理解，”沃爾夫岡·凱特爾說，他是麻省理工學院的物理學教授，也是麻省理工學院團隊的領導者。“當你在最簡單的磁性物理模型中發現新現象時，你就有機會全面描述和理解它。”

量子自旋被認為是磁性的微觀單位。在量子尺度上，原子可以順時針或逆時針旋轉，這就給了它們一個方向，就像指南針一樣。在磁性材料中，許多原子的自旋可以表現出各種現象，包括平衡態和動態行為。

研究人員研究的正是後一種模式。波狀自旋模式的動力學對原子間的磁力非常敏感。在各向同性磁力作用下，波狀圖案的褪色速度要比在各向異性磁力作用下快得多。

研究人員旨在透過一項實驗來研究這一現象，他們首先使用鐳射冷卻技術將鋰原子降低到50納開爾文（比星際空間的溫度低1000萬倍以上）。

​在如此低溫的溫度下，原子被凍結成幾乎靜止的狀態，因此研究人員可以詳細地觀察到任何磁效應，否則原子的熱運動就會掩蓋這些磁效應。然後，研究人員使用一種鐳射系統來捕捉並排列多個由40個原子組成的弦，就像弦上的珠子一樣。他們總共生成了一個由大約1000條弦組成的晶格，由大約40000個原子組成。

然後，他們對整個晶格施加一種無線電波模式和脈衝磁力，誘導弦上的每個原子自旋成螺旋（或波狀）模式。這些弦的波狀圖案與“自旋”原子的週期性密度調製相對應，這些原子形成條紋圖案，研究人員可以在探測器上成像。然後他們觀察當原子的自旋接近平衡狀態時，條紋圖案是如何消失的。

他們把這個實驗比作撥動吉他弦。如果研究人員要觀察處於平衡狀態的原子的自旋，這並不能告訴他們很多關於原子間磁力的資訊，就像一根靜止的吉他弦不能揭示它的物理特性一樣。透過拉弦，使它脫離平衡狀態，觀察它是如何振動並最終恢復到原始狀態的，我們可以瞭解弦的物理特性的一些基本知識。

在他們的實驗中，研究人員改變脈衝磁力的強度，以改變原子自旋圖樣中條紋的寬度。他們測量了這些圖案消退的速度和方式。根據原子間磁力的性質，他們觀察到量子自旋如何恢復平衡的顯著不同的行為。

他們發現了一種介於彈道行為和擴散行為之間的過渡。彈道行為中，自旋迅速回到平衡狀態；擴散行為中，自旋的傳播更加不穩定，整個條紋圖案慢慢地擴散回到平衡狀態，就像一滴墨水慢慢地溶解在水中。

其中一些行為在理論上是可以預測的，但直到現在還沒有觀察到細節。其他一些結果完全出乎意料。更重要的是，研究人員發現他們的觀察結果在數學上與他們用海森堡模型計算出的實驗引數相吻合。他們與哈佛大學的理論學家合作，後者對自旋動力學進行了最先進的計算。

除了在基本水平上推進對磁性的理解，該團隊的研究結果可能被用於探索新材料的性質，作為一種量子模擬器。這樣一個平臺可以像計算材料行為的特殊用途量子計算機一樣工作，以一種超越當今最強大計算機的能力的方式。