Rydberg分子是由數十個或數百個與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於高激發態。
物理學家多年來一直在理論和實驗上研究裡德伯格分子。然而，大多數研究這些分子的研究僅關注於不涉及量子自旋的情況，因為裡德堡分子的多體性質使得分析其自旋動力學特別具有挑戰性。
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合了新方法的方法，能夠捕獲裡德堡電子自旋動力學和原子的軌道運動之間的相互作用。高斯ansatz的雜質去耦轉換。他們的論文發表在《物理評論快報》和《物理評論A》上，介紹了一種新的理論模型，該模型也可以應用於其他量子多體問題。
進行這項研究的研究人員之一的Yuto Ashida說：「由於Rydberg分子固有的多體性質，對自旋動力學的分析仍然是一個具有挑戰性的問題。」 「我們研究的主要目的是解決這個問題，加深我們對多刺裡德堡氣體中失衡自旋動力學的理解。」
研究可旋轉裡德伯格氣體中失衡自旋動力學的主要挑戰是物理學家必須同時考慮原子的軌道運動和通過超長距離耦合介導的雜質-環境糾纏。到目前為止，這使得捕獲裡德伯格分子的自旋動力學非常困難。
「據我們所知，沒有適用於這種新型量子多體問題的理論方法，」 Ashida解釋說。「這就是為什麼我們開發了一種新的變分方法來解決一般類型的玻色子量子雜質問題的原因。」
Ashida和他的同事們引入的新的理論方法是基於「解糾纏規範變換」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上發表。可解的典範變換利用奇偶校驗對稱性將雜質和環境的自由度完全解耦，最終使研究人員能夠以非常有效的方式克服與捕獲裡德堡氣體中的自旋動力學有關的問題。
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範變換與高斯ansatz結合起來用於粒子浴。該方法使研究人員可以揭示傳統雜質問題中不存在的幾個功能。
這些特徵之一是相互作用引起的吸收光譜的重新歸一化，而從分子結合態可以簡單地解釋。使用他們的變分方法，研究人員還能夠觀察到裡德堡電子自旋的持久振蕩。
「我們的研究最有趣的發現是，儘管當前相互作用的多體問題具有不可整合的性質，但自旋進動動力學的壽命卻出乎意料的長，」 Ashida說。「我們將這一特徵解釋為所謂的中心自旋問題的可積性的殘餘，如果我們在模型中採用無限質量極限，則可以得到這一特徵。」
Rydberg 分子中自旋進動動力學的持續時間驚人得很長，這一發現可能會影響物理的幾個子領域，包括原子，分子和光學（AMO）物理學。實際上，複雜多體系統中弛豫和熱化的存在仍然是AMO物理學和統計物理學領域的活躍研究領域。
將來，研究人員開發的變分模型及其進行的分析也可以應用於原子物理學和量子化學中的其他系統。對於其中高軌道量子數的電子激發與自旋量子浴相互作用的系統而言，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用於其他挑戰性量子雜質問題。我們希望我們的研究將在這些方向上激發進一步的研究。」