Met behulp van hun geavanceerde atoomklok om andere wenselijke kwantumsystemen na te bootsen, JILA-natuurkundigen hebben ervoor gezorgd dat atomen in een gas zich gedragen alsof ze ongebruikelijke magnetische eigenschappen bezitten die lang gezocht werden in moeilijker te bestuderen vaste materialen. Vertegenwoordigt een nieuw "off-label" gebruik voor atoomklokken, het onderzoek zou kunnen leiden tot de creatie van nieuwe materialen voor toepassingen zoals 'spintronische' apparaten en kwantumcomputers.

JILA's recordbrekende atoomklok, waarin strontiumatomen zijn gevangen in een laserraster dat bekend staat als een optisch rooster, blijkt een uitstekend model te zijn voor het magnetische gedrag van kristallijne vaste stoffen op atomaire schaal. Dergelijke modellen zijn waardevol voor het bestuderen van de contra-intuïtieve regels van de kwantummechanica.

Om "synthetische" magnetische velden te creëren, het JILA-team heeft twee eigenschappen van de klokatomen aan elkaar gekoppeld om een ​​kwantumfenomeen te creëren dat bekend staat als spin-baankoppeling. De lange levensduur en nauwkeurige controle van de klokatomen stelden onderzoekers in staat een veelvoorkomend probleem in andere op gas gebaseerde spin-baankoppelingsexperimenten te overwinnen, namelijk verwarming en verlies van atomen als gevolg van spontane veranderingen in atomaire toestanden, die interfereert met de effecten die onderzoekers proberen te bereiken.

Het bekendste type spin-baankoppeling verwijst naar een elektron in een enkel atoom, waarbij de spin van een elektron (de richting van zijn momentum, als een kleine pijl die naar boven of naar beneden wijst) is vergrendeld in zijn baan rond de kern om aanleiding te geven tot een rijke interne atomaire structuur. In het JILA-werk, spin-baankoppeling vergrendelt de spin van een atoom, die is als een kleine interne staafmagneet, met de externe beweging van het atoom door het optische rooster. Het JILA-team manipuleerde nauwkeurig de spin en beweging van duizenden strontiumatomen in de klok, het resulterende synthetische magnetische veld gemeten, en observeerde sleutelkenmerken van spin-baankoppeling, zoals veranderingen in atoombeweging die door het rooster kabbelen op basis van hun spin.

De experimenten worden beschreven in a Natuur paper online gepubliceerd op 21 december 2016. JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Spin-orbit-koppeling is nuttig voor het bestuderen van nieuwe kwantummaterialen, "NIST/JILA Fellow Jun Ye zei. "Door onze atoomklok te gebruiken voor kwantumsimulatie, we hopen nieuwe inzichten te stimuleren en nieuw licht te werpen op opkomend gedrag van topologische systemen die nuttig zijn voor robuuste kwantuminformatieverwerking en spintronica."

Spin-baankoppeling is een belangrijk kenmerk van topologische materialen - het onderwerp van theoretisch werk dat dit jaar is geëerd in de Nobelprijs voor natuurkunde - die elektriciteit geleiden aan het oppervlak, maar aan de binnenkant als isolatoren werken. Deze eigenschap zou kunnen worden gebruikt om nieuwe apparaten te maken op basis van elektronenspin in plaats van de gebruikelijke elektrische lading, en topologische kwantumcomputers, die in theorie op nieuwe manieren krachtige berekeningen zou kunnen maken. Maar echte materialen zoals deze zijn moeilijk te maken en te bestuderen - atomaire gassen zijn zuiverder en gemakkelijker te beheersen.

Dit onderzoeksgebied is vrij nieuw. De eerste demonstratie van spin-baankoppeling in een gas van atomen werd in 2011 bereikt door een NIST-fysicus van het Joint Quantum Institute.

De JILA-klok heeft verschillende functies die hem een ​​goede nabootser maken voor kristallijne vaste stoffen. Onderzoekers gebruikten lasers om de klok "tikken, " de overgang van de atomen tussen twee energieniveaus. Het gedrag van de atomen leek toen op dat van elektronen in een vast materiaal in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld, waarbij de elektronen twee spintoestanden hebben ("spin up" en "spin down"). Wanneer een atoom werd geëxciteerd naar een hogere energietoestand, de wetten van de fysica vereist dat energie en momentum behouden blijven, dus het momentum van het atoom vertraagde.

Het eindresultaat was een regelmatig patroon van heen en weer schakelen tussen de spin en het momentum van de atomen. Het patroon vond plaats over duizenden atomen op regelmatige afstanden in het laserraster, of optisch rooster, een analogie met de roosterstructuur van vaste kristallen. Omdat de aangeslagen atomaire toestand 160 seconden duurde, de onderzoekers hadden ruim de tijd om metingen te doen zonder atoomverliezen of verhitting.

Het gebruik van een atoomklok als kwantumsimulator biedt uitzicht op realtime, niet-destructief, metingen van atoomdynamica in een optisch rooster. De huidige klok en simulaties hebben de atomen in één dimensie gerangschikt. Echter, in de toekomst, de onderzoekers hopen meerdere soorten synthetische atomaire spintoestanden te koppelen om exotisch gedrag op complexere niveaus te creëren. Ye's team ontwikkelt een 3D-versie van de atoomklok door meer laserstralen toe te voegen om meer roosters te vormen. die naar verwachting spin-baankoppeling in meerdere dimensies mogelijk maken.