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Técnica Cientistas JQI 'Acoplamento spin-órbita tem aplicações potenciais em computação quântica

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

Físicos do Joint Quantum Institute (JQI), uma colaboração do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland, College Park, que pela primeira vez causou um gás de átomos de expor um fenômeno quântico conhecido como importante acoplamento spin-órbita.

Sua técnica abre novas possibilidades para o estudo e uma melhor compreensão física fundamental e tem aplicações potenciais para a computação quântica, a próxima geração "spintrônica" dispositivos e até mesmo "atomtronic" dispositivos construídos a partir de átomos ultracold.

Em um gás ultracold de quase 200 mil átomos de rubídio-87 (mostrado como o grande humps) os átomos podem ocupar um dos dois níveis de energia (representado como vermelho e azul); lasers então ligam esses níveis em função do movimento dos átomos. Na primeira átomos nos estados de energia vermelha e azul ocupam a mesma região (fase mista), então a maior força de laser, eles se separam em diferentes regiões (Fase Separado).

Na demonstração dos pesquisadores do acoplamento spin-órbita, dois lasers permitir o movimento de um átomo para lançá-lo entre um par de estados de energia. O novo trabalho, publicado na revista Nature, demonstra esse efeito, pela primeira vez em bósons, que compõem uma das duas principais classes de partículas. A mesma técnica poderia ser aplicada a férmions, a outra classe principal de partículas, de acordo com os pesquisadores. As propriedades especiais de férmions se tornam ideais para o estudo de novos tipos de interação entre duas partículas, por exemplo os que conduzem a novela "p onda" a supercondutividade, o que pode permitir uma forma tão procurada da computação quântica conhecido como computação quântica topológica.

Em um desenvolvimento inesperado, a equipe também descobriu que os lasers modificados como os átomos interagem uns com os outros átomos e causou em um estado de energia para separar no espaço a partir de átomos no estado de outras energias.

Um dos fenômenos mais importantes da física quântica, acoplamento spin-órbita descreve a interação que pode ocorrer entre propriedades internas de uma partícula e suas propriedades externas. Em átomos, que normalmente descreve as interações que ocorrem somente dentro de um átomo: como a órbita de um elétron em torno do núcleo de um átomo (núcleo) afeta a orientação do elétron interna bar imã-like "spin". Em materiais semicondutores, como arsenieto de gálio, acoplamento spin-órbita é uma interação entre spin de um elétron e seu movimento linear em um material.

"Spin-órbita acoplamento é muitas vezes uma coisa ruim", disse Ian JQI de Spielman, autor sênior do papel. "Pesquisadores fazem 'spintrônica' dispositivos de arseneto de gálio, e se você preparou um giro em alguns orientação desejada, a última coisa que você quer fazer é virar a alguns outros giram quando está em movimento."

"Mas do ponto de vista da física fundamental, acoplamento spin-órbita é realmente interessante", disse ele. "É o que impulsiona esses novos tipos de materiais chamados" isoladores topológica ".

Um dos tópicos mais quentes na física agora, isoladores topológicas são materiais especiais em que a localização é tudo: a capacidade de os elétrons fluam depende de onde eles estão localizados no interior do material. A maioria das regiões de tal material são isolantes, e corrente elétrica não flui livremente. Mas, em um apartamento, isolador bidimensional topológico, a corrente pode fluir livremente ao longo da borda em uma direção para um tipo de rotação, e na direção oposta para o tipo oposto de spin. Em 3-D isoladores topológico, elétrons fluem livremente na superfície, mas ser inibida no interior do material. Embora os investigadores têm vindo a fazer versões de maior qualidade e maior desta classe especial de material em sólidos, acoplamento spin-órbita em presos gases ultracold de átomos pode ajudar a concretizar isoladores topológica em sua forma mais pura, mais puras, como gases são livres de átomos de impureza e as outras complexidades de materiais sólidos.

Geralmente, os átomos não apresentam o mesmo tipo de acoplamento spin-órbita como os elétrons apresentam em cristais de arsenieto de gálio. Embora cada átomo individual tem seu acoplamento spin-órbita própria acontecendo entre seus componentes internos (os elétrons e núcleo), o movimento geral do átomo, geralmente não é afetado por seu estado interno da energia.

Mas os pesquisadores foram capazes de mudar isso. Em seu experimento, os pesquisadores preso e esfriou um gás de cerca de 200 mil átomos de rubídio-87 até 100 nanokelvins, 3 bilhões de vezes mais frio que a temperatura ambiente. Os pesquisadores selecionaram um par de estados de energia, análogo ao "spin-up" e "spin-down", afirma em um elétron, a partir da disposição dos níveis de energia atômica. Um átomo pode ocupar qualquer uma destas "pseudospin", afirma. Em seguida, os pesquisadores brilhou um par de lasers sobre os átomos, de modo a alterar a relação entre a energia do átomo e sua dinâmica (a sua massa vezes velocidade), e, portanto, seu movimento. Isto criou o acoplamento spin-órbita no átomo: o átomo em movimento capotou entre as suas duas "spin", afirma a uma taxa que dependia de sua velocidade.

"Isso demonstra que a idéia de usar a luz do laser para criar o acoplamento spin-órbita em átomos funciona. Isto é tudo que esperava ver", disse Spielman. "Mas outra coisa realmente interessante aconteceu."

Eles transformaram-se a intensidade de seus lasers, e os átomos de um estado de spin começou a repelir os átomos no estado de spin outros, levando-os a se separar.

"Nós mudamos fundamentalmente como esses átomos interagem uns com os outros", disse Spielman. "Nós não tinha antecipado isso e tive sorte."

Os átomos de rubídio no experimento dos pesquisadores foram bósons, partículas sociáveis ​​que podem toda a multidão no mesmo espaço, mesmo se eles possuem valores idênticos em suas propriedades, incluindo spin. Mas os cálculos mostram que Spielman eles também poderiam criar este mesmo efeito em gases ultracold de férmions. Férmions, o tipo mais anti-social de átomos, não podem ocupar o mesmo espaço quando eles estão em um estado idêntico. E comparado com outros métodos para a criação de novas interações entre os férmions, os estados de spin seria mais fácil de controlar e já viveu.

Um spin-órbita acoplado gás Fermi poderia interagir com si mesmo, porque os lasers efetivamente dividir cada átomo em dois componentes distintos, cada um com seu próprio estado de spin, e dois átomos de tais com diferentes velocidades poderia, então, interagir e fazer par com um outro. Este tipo de emparelhamento abre possibilidades, Spielman disse, para estudar novas formas de supercondutividade, particularmente "p onda" supercondutividade, na qual dois átomos de pares têm uma fase da mecânica quântica que depende de sua orientação relativa. Tais p onda supercondutores pode permitir uma forma de computação quântica conhecido como computação quântica topológica.

Fonte: http://www.nist.gov/

Last Update: 4. October 2011 05:54

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