Med sin avancerade atomklocka för att efterlikna andra önskvärda kvantsystem, JILA-fysiker har fått atomer i en gas att bete sig som om de besitter ovanliga magnetiska egenskaper som länge eftersökts i svårare att studera fasta material. Representerar en ny "off-label" användning för atomur, forskningen kan leda till skapandet av nytt material för applikationer som "spintronic" -enheter och kvantdatorer.

JILAs rekordinställda atomur, där strontiumatomer är fångade i ett lasergitter som kallas ett optiskt gitter, visar sig vara en utmärkt modell för det magnetiska beteendet hos kristallina fasta ämnen i atomskala. Sådana modeller är värdefulla för att studera de kontraintuitiva reglerna för kvantmekanik.

För att skapa "syntetiska" magnetfält, JILA-teamet låste ihop två egenskaper hos klockatomerna för att skapa ett kvantfenomen som kallas spin-orbit-koppling. Den långa livslängden och precisionskontrollen av klockatomerna gjorde det möjligt för forskare att övervinna ett vanligt problem i andra gasbaserade spin-orbit-kopplingsexperiment, nämligen uppvärmning och förlust av atomer på grund av spontana förändringar i atomtillstånd, som stör effekterna forskare försöker uppnå.

Den mest kända typen av spin-orbit-koppling hänvisar till en elektron inuti en enda atom, där en elektron snurrar (riktningen för dess momentum, som en liten pil som pekar upp eller ner) är låst i sin bana runt kärnan för att ge upphov till en rik inre atomstruktur. I JILA -arbetet, spin-orbit-koppling låser en atoms snurr, som är som en liten inre stångmagnet, med atomens yttre rörelse genom det optiska gallret. JILA -teamet manipulerade exakt rotationen och rörelsen för tusentals strontiumatomer i klockan, mätte det resulterande syntetiska magnetfältet, och observerade nyckelsignaturer för spinn-omloppskoppling, såsom förändringar i atomrörelser som skvalpar genom gallret baserat på deras snurr.

Experimenten beskrivs i a Natur papper publicerat online 21 december, 2016. JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Spin-orbit-koppling är användbar för att studera nya kvantmaterial, "NIST/JILA Fellow Jun Ye sa." Genom att använda vår atomur för kvantsimulering, Vi hoppas kunna stimulera nya insikter och belysa nya beteenden hos topologiska system som är användbara för robust kvantinformationsbehandling och spintronik. "

Spinn-omloppskoppling är en nyckelfunktion i topologiska material-ämnet för teoretiskt arbete som hedras i årets Nobelpris i fysik-som leder elektricitet på ytan men fungerar som isolatorer på insidan. Denna egenskap kan användas för att göra nya enheter baserade på elektronspinn istället för den vanliga elektriska laddningen, och topologiska kvantdatorer, som i teorin skulle kunna göra kraftfulla beräkningar på nya sätt. Men riktiga material som detta är svåra att tillverka och studera - atomgaser är renare och lättare att kontrollera.

Detta forskningsområde är ganska nytt. Den första demonstrationen av spinn-omloppskoppling i en gas av atomer uppnåddes 2011 av en NIST-fysiker vid Joint Quantum Institute.

JILA -klockan har flera funktioner som gör den till en bra efterlikning för kristallina fasta ämnen. Forskare använde lasrar för att undersöka klockans "fästingar, "atomernas övergång mellan två energinivåer. Atomernas beteende liknade då elektronernas i ett fast material i närvaro av ett yttre magnetfält, där elektronerna har två spinntillstånd ("snurra upp" och "snurra ner"). När en atom upphetsades till ett tillstånd med högre energi, fysikens lagar krävde att energi och momentum bevarades, så atomens momentum avtog.

Slutresultatet var ett regelbundet mönster för att växla fram och tillbaka mellan atomernas snurr och fart. Mönstret inträffade över tusentals atomer som regelbundet är åtskilda i lasernätet, eller optiskt gitter, en analogi till fasta kristallers gitterstruktur. Eftersom det upphetsade atomtillståndet varade i 160 sekunder, forskarna hade gott om tid att göra mätningar utan atomförluster eller uppvärmning.

Användningen av en atomklocka som en kvantsimulator ger möjlighet till realtid, oförstörande, mätningar av atomdynamik i ett optiskt gitter. Den nuvarande klockan och simuleringarna har atomerna ordnade i en dimension. Dock, i framtiden, forskarna hoppas kunna koppla ihop flera typer av syntetiska atomspinntillstånd för att skapa exotiskt beteende på mer komplexa nivåer. Yes team utvecklar en 3D-version av atomklockan genom att lägga till fler laserstrålar för att bilda fler galler, som förväntas möjliggöra spin-orbit-koppling i flera dimensioner.