捕获里德堡分子自旋动力学的新理论模型

Rydberg分子是由数十个或数百个与Rydberg原子键合的原子组成的巨型分子。这些分子具有一个永久性偶极子(即一对相反电荷或磁化的极)，因为它们的一个原子处于高激发态。

物理学家多年来一直在理论和实验上研究里德伯格分子。然而，大多数研究这些分子的研究仅关注于不涉及量子自旋的情况，因为里德堡分子的多体性质使得分析其自旋动力学特别具有挑战性。

在最近的理论研究中，东京大学，中国科学院，马克斯·普朗克研究所和哈佛大学的研究人员使用一种结合了新方法的方法，能够捕获里德堡电子自旋动力学与原子的轨道运动之间的相互作用。高斯ansatz的杂质去耦转换。他们的论文发表在《物理评论快报》和《物理评论A》上，介绍了一种新的理论模型，该模型也可以应用于其他量子多体问题。

进行这项研究的研究人员之一的Yuto Ashida说：“由于Rydberg分子固有的多体性质，因此对自旋动力学的分析仍然是一个具有挑战性的问题。” “我们研究的主要目的是解决这个问题，加深我们对多刺里德堡气体中失衡自旋动力学的理解。”

研究可旋转里德伯格气体中失衡自旋动力学的主要挑战是物理学家必须考虑原子的轨道运动和同时通过超长距离耦合介导的杂质-环境纠缠。到目前为止，这使得捕获里德伯格分子的自旋动力学非常困难。

“据我们所知，没有适用于这种新型量子多体问题的理论方法，” Ashida解释说。“这就是为什么我们开发了一种新的变分方法来解决一般类型的玻色子量子杂质问题的原因。”

Ashida和他的同事们引入的新的理论方法是基于“解纠缠规范变换”的思想，该思想是由同一研究团队在之前的论文中提出的，该论文也在PRL上发表。解开典范变换利用奇偶校验对称性完全消除了杂质和环境的自由度，最终使研究人员能够以非常有效的方式克服与捕获里德堡气体中的自旋动力学有关的问题。

Ashida和他的同事用来捕获Rydberg电子自旋动力学和Rydberg分子中原子的轨道运动的相互作用的变分方法将解缠的规范变换与高斯ansatz结合起来用于粒子浴。该方法使研究人员可以揭示传统杂质问题中不存在的几个功能。

这些特征之一是相互作用引起的吸收光谱的重新归一化，而从分子结合态可以简单地解释。使用他们的变分方法，研究人员还能够观察到里德堡电子自旋的持久振荡。

“我们的研究最有趣的发现是，尽管当前相互作用的多体问题具有不可整合的性质，但自旋进动动力学的寿命却出乎意料的长，” Ashida说。“我们将这一特征解释为所谓的中心自旋问题的可积性的残余，如果我们在模型中采用无限质量极限，则可以得到这一特征。”

Rydberg 分子中自旋进动动力学的持续时间惊人得很长，这一发现可能会影响物理的几个子领域，包括原子，分子和光学(AMO)物理学。实际上，复杂多体系统中弛豫和热化的存在仍然是AMO物理学和统计物理学领域的活跃研究领域。

将来，研究人员开发的变分模型及其进行的分析也可以应用于原子物理学和量子化学中的其他系统。对于其中高轨道量子数的电子激发与自旋量子浴相互作用的系统而言，尤其如此。

Ashida说：“在接下来的研究中，我们希望进一步扩展模型以包括Rydberg电子的非零角动量。” “其他开放性研究问题包括将我们的问题推广到铁离子浴，将我们的一般变分方法应用于其他挑战性量子杂质问题。我们希望我们的研究将在这些方向上激发进一步的研究。”