Die Spin-Bahn-Kopplungs-Technik JQI-Wissenschaftler Hat Mögliche Anwendungen bei der Quantums-Datenverarbeitung

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

Physiker am Gemeinsamen Quantums-Institut (JQI), an einer Zusammenarbeit des National Institute of Standards and Technology (NIST) und an der Universität von Maryland-College Park, haben zum ersten Mal ein Gas von Atomen veranlaßt, ein wichtiges Quantumsphänomen aufzuweisen, das als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist.

Ihre Technik öffnet neue Möglichkeiten für grundlegende Physik Studierens und des besseren Verständnisses und hat mögliche Anwendungen zur Quantumsdatenverarbeitung, zu zukünftigen „spintronics“ Einheiten und zu den sogar „atomtronic“ Einheiten, die von den ultracold Atomen aufgebaut werden.

In einem ultracold Gas von fast 200.000 Atomen rubidium-87 (gezeigt als die großen Buckel) können die Atome eine von zwei Energiestufen besetzen (dargestellt, wie rot und blau); Laser verbinden dann zusammen diese Stufen als Funktion der Atome' Antrag. An den ersten Atomen in den roten und blauen Energiezuständen besetzen Sie die gleiche Region (die Phase Gemischt), dann an höheren Laser-Stärken, trennen sich sie in verschiedene Regionen (die Phase Getrennt).

In der Vorführung der Forscher der Spin-Bahn-Kopplung, lassen zwei Laser den Antrag eines Atoms ihn zwischen einem Paar Energiezuständen leicht schlagen. Das neue Werk, veröffentlicht in der Natur, zeigt diesen Effekt zum ersten Mal in den Bosons, die eine der zwei bedeutenden Klassen der Partikel bilden. Die gleiche Technik konnte an den Fermions, die andere bedeutende Klasse von Partikeln, nach Ansicht der Forscher angewendet werden. Die speziellen Eigenschaften von Fermions würden sie Ideal für das Studieren von neuen Arten von Interaktionen zwischen zwei Partikel-für Beispiel jenes Führen zu neue „Pwelle“ Supraleitfähigkeit machen, die möglicherweise ein lang-gesuchtes Formular der Quantumsdatenverarbeitung bekannt als topologisches Quantumsübertragen auf lochkarten aktiviert.

In einer unerwarteten Entwicklung entdeckte das Team auch dass die geänderten Laser, wie die Atome auf einander einwirkten und Atome in einem Energiezustand veranlaßten, sich im Platz von den Atomen im anderen Energiezustand zu trennen.

Eins der wichtigsten Phänomene in der Quantumsphysik, Spin-Bahn-Kopplung beschreibt die Wechselwirkung, die zwischen den internen Eigenschaften eines Partikels und seinen externen Eigenschaften auftreten kann. In den Atomen beschreibt es normalerweise Interaktionen, die nur innerhalb eines Atoms auftreten: wie die Bahn eines Elektrons um den Kern eines Atoms (Kern) die Orientierung vom internen Gericht Magnet ähnlichen des Elektrons „beeinflußt, spinnen Sie.“ In den Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid, ist Spin-Bahn-Kopplung eine Interaktion zwischen der Drehbeschleunigung eines Elektrons und seinem linearen Antrag in einem Material.

„Spin-Bahn-Kopplung ist häufig eine falsche Sache,“ sagte Ian Spielman, älterer Autor JQIS des Papiers. „Forscher stellen „spintronic“ Einheiten aus Galliumarsenid heraus her, und wenn Sie eine Drehbeschleunigung in irgendeiner gewünschter Orientierung vorbereitet haben, ist die letzte Sache, die Sie sie würden tun wünschen, zu irgendeiner anderer Drehbeschleunigung leicht zu schlagen, wenn sie sich bewegt.“

„Aber nach Ansicht der grundlegenden Physik, Spin-Bahn-Kopplung ist wirklich interessant,“ sagte er. „Es ist, was diese neuen Arten von den Materialien treibt, die „topologische Isolatoren genannt werden. „“

Eins der heißesten Themen in der Physik im Augenblick, topologische Isolatoren sind spezielle Materialien, in denen Einbauort alles ist: die Fähigkeit von Elektronen zu fließen hängt davon ab, wo sie im Material sich befinden. Die Meisten Regionen solch eines Materials isolieren, und elektrischer Strom fließt nicht frei. Aber in einem flachen, zweidimensionalen topologischen Isolator, Strom kann entlang den Rand in eine Richtung für ein Baumuster Drehbeschleunigung frei fließen und die entgegengesetzte Richtung für die gegenüberliegende Art der Drehbeschleunigung. In den 3-D topologischen Isolatoren würden Elektronen fließen, frei auf die Oberfläche aber gesperrt innerhalb des Materials. Während Forscher die höheren und hochwertigeren Versionen von dieser speziellen Klasse des Materials in den Körpern gemacht haben, könnte Spin-Bahn-Kopplung in aufgefangenen ultracold Gasen von Atomen helfen, topologische Isolatoren in ihrem reinsten, das meiste ursprüngliche Formular zu verwirklichen, als Gase sind frei von den Verunreinigungsatomen und von den anderen Komplexitäten von Vollmaterialien.

Normalerweise weisen Atome nicht die gleiche Art der Spin-Bahn-Kopplung auf, die Elektronen in den Galliumarsenidkristallen aufweisen. Während jedes einzelne Atom seine eigene Spin-Bahn-Kopplung hat, ein zwischen seine internen Bauteile zu gehen (Elektronen und Kern), wird der Gesamtantrag des Atoms im Allgemeinen nicht durch seinen Zustand der inneren Energie beeinflußt.

Aber die Forscher waren in der Lage, das zu ändern. In ihrem Experiment schlossen Forscher ein und kühlten ein Gas von ungefähr 200.000 Atomen rubidium-87 unten zu 100 nanokelvins ab, 3 Milliardemal kälter als Raumtemperatur. Die Forscher wählten ein Paar Energiezustände aus, analog den „Drehbeschleunigung-oben“ und „Drehbeschleunigung-unten“ Zuständen in einem Elektron, von den erhältlichen Atomenergiestufen. Ein Atom konnte irgendeinen dieser „pseudospin“ Zustände besetzen. Dann glänzten Forscher ein Paar Laser auf den Atomen, um das Verhältnis zwischen der Kernenergie und seinem Impuls (seine Massenzeitgeschwindigkeit) und deshalb seinem Antrag zu ändern. Dieses erstellte Spin-Bahn-Kopplung im Atom: das bewegliche Atom, das zwischen seinen zwei „Drehbeschleunigung“ leicht geschlagen wird, gibt mit einer Kinetik an, die nach seiner Geschwindigkeit abhing.

„Dieses zeigt, dass die Idee der Anwendung von Laserlicht, um Spin-Bahn-Kopplung in den Atomen zu erstellen arbeitet. Alles Dieses ist, das wir erwarteten zu sehen,“ Spielman sagte. „Aber wirklich ordentliche des noch etwas geschehen.“

Sie drehten sich herauf die Intensität ihrer Laser, und Atome von einem Drehbeschleunigungszustand fingen an, die Atome im anderen Drehbeschleunigungszustand abzustoßen und veranlaßten sie sich zu trennen.

„Wir änderten grundlegend, wie diese Atome miteinander zusammenwirkten,“ Spielman sagten. „Wir hatten nicht das vorweggenommen und erhalten glücklich.“

Die Rubidiumatome im Experiment der Forscher waren Bosons, gesellige Partikel, die alle Menge in den gleichen Platz können, selbst wenn sie identische Werte in ihren Eigenschaften einschließlich Drehbeschleunigung besitzen. Aber Spielmans Berechnungen zeigen, dass sie diesen gleichen Effekt in den ultracold Gasen von Fermions auch erstellen konnten. Fermions, das antisozialere Baumuster von Atomen, können den gleichen Platz nicht besetzen, wenn sie in einem identischen Zustand sind. Und verglichen mit anderen Methoden für das Erstellen von neuen Interaktionen zwischen Fermions, würden die Drehbeschleunigungszustände einfacher zu steuern sein und lebten länger.

Ein Drehbeschleunigung-Bahn-verbundenes Fermi-Gas könnte auf sich einwirken, weil die Laser effektiv jedes Atom in zwei eindeutige Bauteile, jedes mit seinem eigenen Drehbeschleunigungszustand aufspalteten und zwei solche Atome mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf ein anderes dann einwirken und oben zusammenpassen konnten. Diese Art der Paarung erschließen Möglichkeiten, sagte Spielman, für das Studieren von neuen Formularen der Supraleitfähigkeit, besonders „Pwelle“ Supraleitfähigkeit, in der zwei Atome haben eine Quantum-mechanische Phase zusammenpaßten, die von ihrer relativen Orientierung abhängt. Solche Pwelle Supraleiter aktivieren möglicherweise ein Formular der Quantumsdatenverarbeitung bekannt als topologisches Quantumsübertragen auf lochkarten.

Quelle: http://www.nist.gov/

Last Update: 12. January 2012 18:10

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