JILA原子钟模拟固体中长期寻求的合成磁态

利用他们先进的原子钟来模仿其他理想的量子系统，JILA物理学家已经使气体中的原子表现得好像具有在难以研究的固体材料中长期寻求的不寻常的磁性。该研究代表了原子钟的一种新颖的“标签外”用途，可以为“自旋电子”设备和量子计算机等应用创造新材料。

JILA的记录设定原子钟，其中锶原子被困在称为光学晶格的激光网格中，结果证明是原子级结晶固体磁性行为的优秀模型。这些模型对于研究量子力学的违反直觉规则很有价值。

为了创造“合成”磁场，JILA团队将时钟原子的两个属性锁定在一起，形成一种称为自旋轨道耦合的量子现象。时钟原子的长寿命和精确控制使研究人员能够克服其他基于气体的自旋 - 轨道耦合实验中的常见问题，即由于原子态的自发变化导致的原子加热和损失，这会干扰研究人员正在尝试的效果实现。

最着名的自旋轨道耦合类型是指单个原子内部的电子，其中电子的自旋(其动量的方向，如向上或向下的微小箭头)被锁定在其围绕原子核的轨道上以产生丰富的内部原子结构。在JILA工作中，自旋轨道耦合锁定原子的自旋，这就像一个微小的内部条形磁铁，原子通过光学晶格的外部运动。JILA团队精确地操纵时钟中数千个锶原子的自旋和运动，测量得到的合成磁场，并观察自旋 - 轨道耦合的关键特征，例如原子运动的变化基于它们的旋转在晶格中波动。

该实验在 2016年12月21日在线发表的Nature论文(link is external)中有所描述 .JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

“旋转轨道耦合对研究新型量子材料很有用，”NIST / JILA研究员Jun Ye说。“通过使用我们的原子钟进行量子模拟，我们希望能够激发新的见解，并为拓扑系统的新兴行为提供新的视角，这些行为对稳健的量子信息处理和自旋电子学有用。”

旋转轨道耦合是拓扑材料的一个关键特征 - 这是今年诺贝尔物理学奖的理论工作的主题 - 它在表面上导电，但在内部充当绝缘体。这种特性可用于制造基于电子自旋而不是通常的电荷的新型器件，以及拓扑量子计算机，理论上它们可以以新的方式进行强大的计算。但是像这样的真实材料很难制造和研究 - 原子气体更纯净，更容易控制。

这个研究领域相当新。2011年，联合量子研究所的NIST物理学家首次证明了原子气体中的自旋轨道耦合。

JILA时钟具有多种功能，使其成为晶体固体的良好模拟物。研究人员使用激光探测时钟“嘀嗒”，原子在两个能级之间的转换。在存在外部磁场的情况下，原子的行为类似于固体材料中的电子行为，其中电子具有两个自旋状态(“旋转”和“旋转”)。当原子被激发到更高能量状态时，物理定律要求保存能量和动量，因此原子的动量减慢。

最终的结果是在原子的旋转和动量之间来回切换的规则模式。该图案发生在激光网格或光学晶格中规则间隔的数千个原子上，类似于固体晶体的晶格结构。由于激发的原子态持续160秒，研究人员有足够的时间进行测量，没有原子损失或加热。

使用原子钟作为量子模拟器为光学晶格中的原子动力学的实时，非破坏性测量提供了前景。当前的时钟和模拟使原子排列在一个维度上。然而，在未来，研究人员希望将多种类型的合成原子自旋态耦合在一起，以在更复杂的层次上创造奇异行为。Ye的团队正在开发一种3-D版本的原子钟，通过添加更多的激光束来形成更多的晶格，这些晶格有望在多个维度上实现自旋轨道耦合。