JILA atomur efterligner længe søgt syntetisk magnetisk tilstand

Ved at bruge deres avancerede atomur til at efterligne andre ønskværdige kvantesystemer, JILA-fysikere har fået atomer i en gas til at opføre sig, som om de besidder usædvanlige magnetiske egenskaber, som længe har været søgt i faste materialer, der er sværere at studere. Repræsenterer en ny "off-label" anvendelse til atomure, forskningen kunne føre til skabelsen af ​​nye materialer til applikationer såsom "spintroniske" enheder og kvantecomputere.

JILA's rekordsættende atomur, hvor strontiumatomer er fanget i et lasergitter kendt som et optisk gitter, viser sig at være en fremragende model for den magnetiske opførsel af krystallinske faste stoffer på atomær skala. Sådanne modeller er værdifulde til at studere kvantemekanikkens kontraintuitive regler.

For at skabe "syntetiske" magnetiske felter, JILA-holdet låste to egenskaber ved uratomerne sammen for at skabe et kvantefænomen kendt som spin-orbit-kobling. Den lange levetid og præcisionskontrol af ur-atomerne gjorde det muligt for forskere at overvinde et almindeligt problem i andre gasbaserede spin-orbit-koblingseksperimenter, nemlig opvarmning og tab af atomer på grund af spontane ændringer i atomare tilstande, hvilket forstyrrer de effekter, forskerne forsøger at opnå.

Den bedst kendte type spin-orbit-kobling refererer til en elektron inde i et enkelt atom, hvor en elektrons spin (retningen af ​​dens momentum, som en lille pil, der peger op eller ned) er låst til sin bane omkring kernen for at give anledning til en rig indre atomstruktur. I JILA-arbejdet, spin-kredsløbskobling låser et atoms spin, som er som en lille indvendig stangmagnet, med atomets ydre bevægelse gennem det optiske gitter. JILA-teamet manipulerede præcist spin og bevægelse af tusindvis af strontiumatomer i uret, målte det resulterende syntetiske magnetfelt, og observerede nøglesignaturer af spin-kredsløbskobling, såsom ændringer i atombevægelser, der bølger gennem gitteret baseret på deres spin.

Forsøgene er beskrevet i en Natur papir offentliggjort online 21. december, 2016. JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Spin-orbit-kobling er nyttig til at studere nye kvantematerialer, " NIST/JILA Fellow Jun Ye sagde. "Ved at bruge vores atomur til kvantesimulering, vi håber at stimulere ny indsigt og kaste nyt lys over nye opførsel af topologiske systemer, der er nyttige til robust kvanteinformationsbehandling og spintronik."

Spin-orbit-kobling er et nøgletræk ved topologiske materialer - emnet for teoretisk arbejde, der er hædret i dette års Nobelpris i fysik - som leder elektricitet på overfladen, men fungerer som isolatorer på indersiden. Denne egenskab kunne bruges til at lave nye enheder baseret på elektronspin i stedet for den sædvanlige elektriske ladning, og topologiske kvantecomputere, som i teorien kunne lave kraftfulde beregninger på nye måder. Men rigtige materialer som dette er svære at lave og studere - atomare gasser er renere og lettere at kontrollere.

Dette forskningsområde er ret nyt. Den første demonstration af spin-orbit-kobling i en gas af atomer blev opnået i 2011 af en NIST-fysiker ved Joint Quantum Institute.

JILA uret har flere funktioner, der gør det til en god efterligning af krystallinske faste stoffer. Forskere brugte lasere til at undersøge uret "tikker, " atomernes overgang mellem to energiniveauer. Atomernes adfærd lignede dengang elektroner i et fast materiale i nærværelse af et eksternt magnetfelt, hvor elektronerne har to spin-tilstande ("spin op" og "spin ned"). Når et atom blev exciteret til en højere energitilstand, fysikkens love krævede, at energi og momentum blev bevaret, så atomets momentum aftog.

Slutresultatet var et regelmæssigt mønster af skift frem og tilbage mellem atomernes spin og momentum. Mønstret forekom på tværs af tusindvis af atomer med jævne mellemrum i lasergitteret, eller optisk gitter, en analogi til gitterstrukturen af ​​faste krystaller. Fordi den exciterede atomtilstand varede i 160 sekunder, forskerne havde god tid til at foretage målinger uden atomtab eller opvarmning.

Brugen af ​​et atomur som en kvantesimulator giver mulighed for realtid, ikke-destruktiv, målinger af atomdynamik i et optisk gitter. Det aktuelle ur og simuleringer har atomerne arrangeret i én dimension. Imidlertid, i fremtiden, forskerne håber at koble flere typer syntetiske atomare spin-tilstande for at skabe eksotisk adfærd på mere komplekse niveauer. Ye's team udvikler en 3-D version af atomuret ved at tilføje flere laserstråler for at danne flere gitter, som forventes at muliggøre spin-orbit-kobling i flere dimensioner.