Usando su reloj atómico avanzado para imitar otros sistemas cuánticos deseables, Los físicos de JILA han provocado que los átomos de un gas se comporten como si poseyeran propiedades magnéticas inusuales buscadas durante mucho tiempo en materiales sólidos más difíciles de estudiar. Representando un uso novedoso "off-label" para relojes atómicos, la investigación podría conducir a la creación de nuevos materiales para aplicaciones como dispositivos "espintrónicos" y computadoras cuánticas.

El reloj atómico récord de JILA, en el que los átomos de estroncio están atrapados en una rejilla láser conocida como red óptica, resulta ser un excelente modelo para el comportamiento magnético de sólidos cristalinos a escala atómica. Tales modelos son valiosos para estudiar las reglas contradictorias de la mecánica cuántica.

Para crear campos magnéticos "sintéticos", el equipo de JILA unió dos propiedades de los átomos del reloj para crear un fenómeno cuántico conocido como acoplamiento espín-órbita. La larga vida útil y el control de precisión de los átomos del reloj permitieron a los investigadores superar un problema común en otros experimentos de acoplamiento de órbita-espín basados ​​en gases. a saber, calentamiento y pérdida de átomos debido a cambios espontáneos en los estados atómicos, que interfiere con los efectos que los investigadores están tratando de lograr.

El tipo más conocido de acoplamiento espín-órbita se refiere a un electrón dentro de un solo átomo, donde el espín de un electrón (la dirección de su impulso, como una pequeña flecha que apunta hacia arriba o hacia abajo) está bloqueada en su órbita alrededor del núcleo para dar lugar a una rica estructura atómica interna. En el trabajo de JILA, El acoplamiento de giro-órbita bloquea el giro de un átomo, que es como una pequeña barra magnética interna, con el movimiento externo del átomo a través de la red óptica. El equipo de JILA manipuló con precisión el giro y el movimiento de miles de átomos de estroncio en el reloj, midió el campo magnético sintético resultante, y se observaron firmas clave del acoplamiento espín-órbita, como cambios en el movimiento de los átomos que se ondulan a través de la red en función de su espín.

Los experimentos se describen en un Naturaleza artículo publicado en línea el 21 de diciembre de 2016. JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

"El acoplamiento espín-órbita es útil para estudiar nuevos materiales cuánticos, "NIST / JILA Fellow Jun Ye dijo." Al usar nuestro reloj atómico para la simulación cuántica, esperamos estimular nuevos conocimientos y arrojar nueva luz sobre los comportamientos emergentes de los sistemas topológicos que son útiles para el procesamiento robusto de información cuántica y la espintrónica ".

El acoplamiento espín-órbita es una característica clave de los materiales topológicos, tema de trabajo teórico galardonado con el Premio Nobel de Física de este año, que conducen la electricidad en la superficie pero actúan como aislantes en el interior. Esta característica podría usarse para fabricar dispositivos novedosos basados ​​en el espín de electrones en lugar de la carga eléctrica habitual. y computadoras cuánticas topológicas, que en teoría podría hacer cálculos poderosos de nuevas formas. Pero los materiales reales como este son difíciles de fabricar y estudiar:los gases atómicos son más puros y fáciles de controlar.

Esta área de investigación es bastante nueva. La primera demostración del acoplamiento espín-órbita en un gas de átomos se logró en 2011 por un físico del NIST en el Joint Quantum Institute.

El reloj JILA tiene varias características que lo convierten en un buen imitador de sólidos cristalinos. Los investigadores utilizaron láseres para sondear el "tic-tac" del reloj, "la transición de los átomos entre dos niveles de energía. El comportamiento de los átomos se asemeja al de los electrones en un material sólido en presencia de un campo magnético externo, donde los electrones tienen dos estados de giro ("girar hacia arriba" y "girar hacia abajo"). Cuando un átomo se excitó a un estado de mayor energía, las leyes de la física requerían que se conservaran la energía y el momento, por lo que el impulso del átomo se desaceleró.

El resultado final fue un patrón regular de alternancia entre el giro y el impulso de los átomos. El patrón se produjo a través de miles de átomos espaciados regularmente en la rejilla láser, o celosía óptica, una analogía con la estructura reticular de los cristales sólidos. Debido a que el estado atómico excitado duró 160 segundos, los investigadores tuvieron tiempo suficiente para realizar mediciones sin pérdidas de átomos ni calentamiento.

El uso de un reloj atómico como simulador cuántico ofrece la posibilidad de no destructivo mediciones de la dinámica del átomo en una red óptica. El reloj y las simulaciones actuales tienen los átomos dispuestos en una dimensión. Sin embargo, en el futuro, los investigadores esperan acoplar múltiples tipos de estados de espín atómico sintéticos para crear un comportamiento exótico a niveles más complejos. El equipo de Ye está desarrollando una versión tridimensional del reloj atómico agregando más rayos láser para formar más celosías, que se espera permitan el acoplamiento espín-órbita en múltiples dimensiones.