Techniek van de Koppeling van Wetenschappers JQI Heeft Spin-Orbit Potentiële Toepassingen in Quantum Gegevensverwerking

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

De Fysici bij het Gezamenlijke QuantumInstituut (JQI), een samenwerking van het Nationale Instituut van Normen en Technologie (NIST) hebben en de Universiteit van Maryland-Universiteit Park, voor het eerst een gas van atomen veroorzaakt om een belangrijk quantumfenomeen tentoon te stellen dat als spin-orbit koppeling wordt bekend.

Hun techniek opent nieuwe mogelijkheden om beter fundamentele fysica te bestuderen en te begrijpen en heeft potentiële toepassingen aan quantum gegevensverwerking de apparaten, van volgende-generatie „spintronics“ en zelfs „atomtronic“ apparaten die van ultracoldatomen worden gebouwd.

In een ultracoldgas van bijna 200.000 rubidium-87 atomen (die als grote bulten worden getoond) de atomen kunnen één van twee energieniveaus (vertegenwoordigd zoals rood en blauw) bezetten; de lasers verbinden dan deze niveaus als functie van de atomen' motie. Bij eerste atomen in de rode en blauwe energie bezetten de staten het zelfde gebied (Gemengde Fase), dan bij hogere lasersterke punten, scheiden zij in verschillende gebieden (Gescheiden Fase).

In de demonstratie van de onderzoekers van spin-orbit koppeling, staan twee lasers de motie van een atoom toe om het tussen een paar energiestaten weg te knippen. Het nieuwe werk, dat in Aard wordt gepubliceerd, toont voor het eerst dit effect in bosons aan, die omhoog één van de twee belangrijkste klassen van deeltjes maken. De zelfde techniek zou op fermions, de andere belangrijkste klasse van deeltjes, volgens de onderzoekers kunnen worden toegepast. De speciale eigenschappen van fermions zouden hen ideaal voor het bestuderen van nieuwe soorten interactie tussen twee deeltje-voor voorbeeld die maken die tot nieuwe „p-golf“ supergeleiding leiden, die een lang-gezochte vorm van quantum gegevens verwerkend kan toelaten die als topologische quantumberekening wordt bekend.

In een onverwachte ontwikkeling, ontdekte het team ook dat de lasers wijzigden hoe de atomen met elkaar in wisselwerking stonden en atomen in één energiestaat om in ruimte van atomen in de andere energiestaat veroorzaakten te scheiden.

Één van de belangrijkste fenomenen in quantumfysica, spin-orbit koppeling beschrijft de interactie die tussen de interne eigenschappen van een deeltje en zijn externe eigenschappen kan voorkomen. In atomen, beschrijft het gewoonlijk interactie die slechts binnen een atoom voorkomen: hoe de baan van een elektron rond de kern van een atoom (kern) de richtlijn van de interne bar-magneet-als „rotatie van het elektron.“ beïnvloedt In halfgeleidermaterialen zoals galliumarsenide, is spin-orbit koppeling een interactie tussen de rotatie van een elektron en zijn lineaire motie in een materiaal.

De „Spin-orbit koppeling is vaak een slecht ding,“ bovengenoemde Ian Spielman, hogere auteur van JQI van het document. De „Onderzoekers maken „spintronic“ apparaten uit galliumarsenide, en als u een rotatie in één of andere gewenste richtlijn hebt voorbereid, moet het laatste ding u het zou willen doen aan één of andere andere rotatie wegknippen wanneer het zich.“ beweegt

„Maar van het standpunt van fundamentele fysica, is spin-orbit koppeling werkelijk interessant,“ hij zei. „Het is wat deze nieuwe soorten materialen genoemd „topologische isolatie drijft. „“

Één van de heetste onderwerpen in fysica op dit ogenblik, topologische isolatie is speciale materialen waarin de plaats alles is: de capaciteit van elektronen te stromen hangt af van waar zij binnen het materiaal worden gevestigd. De Meeste gebieden van zulk een materiaal isoleren, en de elektrische stroom stroomt niet vrij. Maar in een vlakke, tweedimensionale topologische isolatie, kan de stroom vrij langs de rand in één richting voor één type van rotatie, en de tegenovergestelde richting voor het tegenovergestelde soort rotatie stromen. In 3-D topologische isolatie, zouden de elektronen stromen vrij op de oppervlakte maar binnen het materiaal verboden. Terwijl de onderzoekers hogere en van betere kwaliteit versies van deze speciale klasse van materiaal in vaste lichamen hebben gemaakt, kon spin-orbit koppeling in opgesloten ultracold gassen van atomen helpen topologische isolatie in hun het zuiverst, de meeste oorspronkelijke vorm realiseren, aangezien de gassen van onzuiverheidsatomen en de andere ingewikkeldheid van stevige materialen vrij zijn.

Gewoonlijk, stellen de atomen niet het zelfde soort spin-orbit koppeling tentoon zoals elektronententoongesteld voorwerp in gallium-arsenide kristallen. Terwijl elk individueel atoom zijn eigen spin-orbit koppeling heeft die tussen zijn interne componenten (elektronen en kern) gaat, wordt de algemene motie van het atoom over het algemeen niet beïnvloed door zijn interne energiestaat.

Maar de onderzoekers konden dat veranderen. In hun experiment, sloten de onderzoekers en koelden een gas neer van ongeveer 200.000 rubidium-87 atomen aan 100 nanokelvins, 3 miljard op keer kouder dan kamertemperatuur. De onderzoekers selecteerden een paar energiestaten, analoog aan het „versnellen“ en „rotatie-versla“ staten in een elektron, van de beschikbare kernenergieniveaus. Een atoom kon één van beiden van deze „pseudospin“ staten bezetten. Dan glansten de onderzoekers een paar lasers op de atomen om het verband tussen de energie van het atoom en zijn impuls (zijn snelheid van massatijden) te veranderen, en daarom zijn motie. Dit leidde tot spin-orbit koppeling in het atoom: het bewegende atoom dat tussen zijn twee „rotatie“ staten aan een tarief wordt weggeknipt dat van zijn snelheid afhing.

„Dit toont aan dat het idee van het gebruiken van laserlicht om spin-orbit koppeling in atomen te creëren werkt. Dit is allen wij veronderstelden te zien,“ bovengenoemde Spielman. „Maar werkelijk keurig iets anders gebeurde.“

Zij verschenen de intensiteit van hun lasers, en de atomen van één rotatiestaat begonnen de atomen in de andere rotatiestaat af te weren, veroorzakend hen om te scheiden.

„Wij veranderden fundamenteel hoe deze atomen met elkaar in wisselwerking stonden,“ bovengenoemde Spielman. „Wij hadden dat niet voorzien en gelukkig.“ geworden

De rubidiumatomen in het experiment van de onderzoekers waren bosons, gezellige deeltjes die allen in de zelfde ruimte kunnen overbevolken zelfs als zij identieke waarden in hun eigenschappen met inbegrip van rotatie bezitten. Maar de berekeningen van Spielman tonen aan dat zij tot dit zelfde effect in ultracoldgassen van fermions konden ook leiden. Fermions, het asocialere type van atomen, kunnen niet de zelfde ruimte bezetten wanneer zij in een identieke staat zijn. En vergeleken bij andere methodes om nieuwe interactie tussen fermions tot stand te brengen, zouden de rotatiestaten gemakkelijker zijn te controleren en langer geleefd.

Een rotatie-baan-gekoppeld Fermi gas kon met zich in wisselwerking staan omdat de lasers effectief elk atoom in twee verschillende componenten, elk met zijn eigen rotatiestaat verdeelden, en twee dergelijke atomen met verschillende snelheden dan en paar omhoog met één andere konden in wisselwerking staan. Dit soort het in paren rangschikken biedt mogelijkheden, Spielman bovengenoemd, voor het bestuderen van nieuwe vormen van supergeleiding, in het bijzonder „p-golf“ supergeleiding, waarin twee in paren gerangschikte atomen een quantum-mechanische fase hebben die van hun relatieve richtlijn afhangt. Dergelijke kunnen de p-golf suprageleiders een vorm van quantum gegevens verwerkend toelaten die als topologische quantumberekening wordt bekend.

Bron: http://www.nist.gov/

Last Update: 12. January 2012 18:42

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit