Technique scientifiques JQI «couplage spin-orbite a des applications potentielles dans Quantum Computing

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

Des physiciens de l'Institut commun de Quantum (JQI), une collaboration de l'Institut National des Standards and Technology (NIST) et l'Université du Maryland-College Park, ont pour la première fois provoqué un gaz d'atomes d'exposer un phénomène important quantique connue sous le nom couplage spin-orbite.

Leur technique ouvre de nouvelles possibilités pour étudier et mieux comprendre la physique fondamentale et a des applications potentielles à l'informatique quantique, la prochaine génération de la «spintronique» périphériques et même «atomtronic" appareils construits à partir d'atomes ultrafroids.

Dans un gaz ultrafroids de près de 200 000 atomes de rubidium-87 (représenté par les bosses de grande taille) des atomes peut occuper l'un des deux niveaux d'énergie (représentée en rouge et bleu); lasers puis relier ces niveaux en fonction du mouvement des atomes. Au atomes d'abord aux Etats de l'énergie rouge et bleu occupent la même région (phase mixte), puis au laser, les forces supérieures, ils se séparent en différentes régions (séparation de phase).

Dans la démonstration des chercheurs du couplage spin-orbite, deux lasers permettent le mouvement d'un atome pour la retourner entre une paire d'états d'énergie. Les nouveaux travaux, publiés dans Nature, démontre cet effet pour la première fois en bosons, qui constituent l'une des deux grandes classes de particules. La même technique pourrait être appliquée à des fermions, l'autre classe importante de particules, selon les chercheurs. Les propriétés particulières des fermions qui les rendent idéales pour étudier de nouveaux types d'interactions entre deux particules, par exemple celles menant à roman "p-wave" supraconductivité, ce qui peut permettre une forme longtemps recherchée de l'informatique quantique connu sous le calcul quantique topologique.

Dans un développement inattendu, l'équipe a également découvert que les lasers modifié la manière dont les atomes en interaction les uns avec les autres atomes et causé dans un état d'énergie de séparer dans l'espace à partir d'atomes dans l'état d'énergie.

Un des phénomènes les plus importants de la physique quantique, couplage spin-orbite décrit l'interaction qui peuvent survenir entre les propriétés internes d'une particule et ses propriétés externes. Dans les atomes, il décrit généralement les interactions qui ne se produisent au sein d'un atome: comment l'orbite d'un électron autour du noyau d'un atome (noyau) affecte l'orientation des internes de l'électron-bar-aimant-comme «spin». Dans les matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium, couplage spin-orbite est une interaction entre le spin d'un électron et son mouvement linéaire dans un matériau.

"Couplage spin-orbite est souvent une mauvaise chose", a déclaré Ian JQI Spielman, auteur principal du document. «Les chercheurs font« spintronique »sur les dispositifs d'arséniure de gallium, et si vous avez préparé un tour dans certains orientation désirée, la dernière chose que vous voudriez qu'il à faire est de retourner à certains autres spin quand il est en mouvement."

"Mais du point de vue de la physique fondamentale, couplage spin-orbite est vraiment intéressant", at-il dit. «C'est ce qui motive ces nouveaux types de matériaux appelés« isolants topologiques. "

Un des sujets les plus brûlants de la physique en ce moment, les isolants topologiques sont des matériaux spéciaux dans lesquels la situation est essentielle: la capacité des électrons de circuler dépend du lieu où ils sont situés dans le matériau. La plupart des régions d'un tel matériau sont isolants, et le courant électrique ne circule pas librement. Mais dans un plat, en deux dimensions d'isolant topologique, le courant peut circuler librement le long du bord dans une direction pour un type de rotation, et la direction opposée pour le genre opposé de spin. En 3-D isolants topologiques, les électrons ne circulent librement sur la surface mais être inhibé l'intérieur du matériau. Bien que les chercheurs ont fait des versions de meilleure qualité et plus élevé de cette classe spéciale de matériel dans les solides, couplage spin-orbite dans les gaz ultrafroids piégé des atomes pourrait aider à réaliser des isolants topologiques dans la plus pure de leur forme la plus primitive, que les gaz sont exempts d'atomes d'impuretés et de la complexité d'autres matériaux solides.

Habituellement, les atomes ne présentent pas le même genre de couplage spin-orbite des électrons exposer dans l'arséniure de gallium de cristaux. Bien que chaque atome individuel a son propre couplage spin-orbite passe entre ses composants internes (électrons et le noyau), le mouvement d'ensemble de l'atome n'est généralement pas affectée par son état d'énergie interne.

Mais les chercheurs ont réussi à changer cela. Dans leur expérience, les chercheurs piégé et refroidi un gaz d'environ 200 000 atomes de rubidium-87 jusqu'à 100 nanokelvins, 3 milliards de fois plus froids que la température ambiante. Les chercheurs ont sélectionné une paire d'états d'énergie, analogue à la «spin-up" et "spin-down», déclare dans un électron, à partir des niveaux disponibles de l'énergie atomique. Un atome peut occuper un de ces "pseudospin" états. Puis les chercheurs ont brillé d'une paire de lasers sur les atomes de manière à changer la relation entre l'énergie de l'atome et son élan (sa masse multipliée par la vitesse), et donc son mouvement. Cela a créé couplage spin-orbite dans l'atome: l'atome en mouvement renversé entre ses deux «spin», déclare à un taux qui dépend de sa vitesse.

"Cela démontre que l'idée d'utiliser la lumière laser pour créer couplage spin-orbite dans les atomes fonctionne. C'est tout ce que nous nous attendions à voir", a déclaré Spielman. «Mais autre chose vraiment bien passé."

Ils se sont tournés jusqu'à l'intensité de leurs lasers, et les atomes d'un état de spin ont commencé à repousser les atomes dans l'état de spin d'autres, les obligeant à se séparer.

«Nous avons changé fondamentalement la façon dont ces atomes en interaction avec l'autre", a déclaré Spielman. "Nous n'avions pas prévu cela et eu de la chance."

Les atomes de rubidium dans l'expérience des chercheurs ont été les bosons, particules sociable qui peuvent tous se pressent dans le même espace, même si elles possèdent des valeurs identiques dans leurs propriétés, y compris spin. Mais les calculs montrent que Spielman ils pourraient également créer le même effet dans les gaz de fermions ultrafroids. Les fermions, le type d'atomes plus antisocial, ne peut pas occuper le même espace quand ils sont dans un état identique. Et par rapport à d'autres méthodes pour créer de nouvelles interactions entre fermions, les états de spin serait plus facile à contrôler et à plus long vécu.

Un gaz spin-orbite couplé Fermi pourrait interagir avec lui-même parce que les lasers efficacement diviser chaque atome en deux composantes distinctes, chacune avec son état de spin propres, et de deux atomes tels avec des vitesses différentes peut alors interagir et de se jumeler à un autre. Ce type de jumelage ouvre des possibilités, Spielman a déclaré, pour étudier de nouvelles formes de la supraconductivité, notamment "le p-wave" supraconductivité, dans lequel deux atomes pairés ont une phase de la mécanique quantique qui dépend de leur orientation relative. Ces p-ondes supraconducteurs pourraient permettre une forme d'informatique quantique connu sous le calcul quantique topologique.

Source: http://www.nist.gov/

Last Update: 22. October 2011 08:20

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