Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions

JQI Forskare "Spin-Orbit Coupling teknik har potentiella tillämpningar inom kvantdatorer

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

Fysiker vid den gemensamma Quantum institutet (JQI), ett samarbete med National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland, College Park, har för första gången orsakade en gas av atomer att uppvisa en viktig kvantmekaniska fenomen som kallas spin-bana koppling.

Deras teknik öppnar nya möjligheter för att studera och bättre förstå grundläggande fysik och har potentiella tillämpningar för kvantberäkning, nästa generations "spinntronik" enheter och även "atomtronic" enheter byggs från ultrakalla atomer.

I en ultrakalla gas av nästan 200.000 rubidium-87 atomer (visas som den stora pucklar) atomerna kan ockupera en av två energinivåer (representerade röd och blå), lasrar sedan länka samman dessa nivåer som en funktion av atomernas rörelse. Först atomer i det röda och blå energitillstånd bor i samma region (Fas Mixed), därefter vid högre laser styrkor, de olika i olika regioner (fas separeras).

I forskarnas demonstration av spin-bana koppling, två lasrar gör en atoms rörelse för att vända det mellan ett par av energitillstånd. Det nya arbetet, som publiceras i Nature, visar denna effekt för första gången i bosoner, som utgör en av de två stora klasser av partiklar. Samma teknik skulle kunna tillämpas på fermioner, den andra större gruppen av partiklar, enligt forskarna. Den speciella egenskaper fermioner skulle göra dem idealiska för att studera nya former av växelverkan mellan två partiklar, till exempel sådana som leder till nya "P-vågen" supraledning, som kan möjliggöra ett mycket efterlängtat form av kvantberäkning kallas topologiska quantum beräkning.

I en oväntad utveckling, team upptäckte också att de lasrar ändrade hur atomerna interagerade med varandra och orsakade atomer i ett energitillstånd för att separera i rymden från atomer i den andra energitillstånd.

En av de viktigaste fenomenen i kvantfysik, beskriver spinn-bana koppling samspelet som kan uppstå mellan en partikel interna egenskaper och dess yttre egenskaper. I atomer, beskriver det vanligtvis samspel som bara inträffar i en atom: hur en elektron bana runt en atoms kärna (nucleus) påverkar inriktningen av elektronens interna bar-magnet-liknande "snurra". I halvledarmaterial som galliumarsenid, är spinn-bana koppling ett samspel mellan en elektronens spinn och linjära rörelser i ett material.

"Spin-bana koppling är ofta en dålig sak", säger JQI Ian Spielman, ledande författare av papperet. "Forskare göra" spinntroniska "enheter av galliumarsenid, och om du har förberett en dragning i vissa önskad riktning, är det sista man vill att det ska göra för att vända till något annat snurra när den rör sig."

"Men ur synvinkel grundläggande fysik, är spinn-bana koppling riktigt intressant", sa han. "Det är det som driver dessa nya typer av material som kallas" topologiska isolatorer. '"

En av de hetaste ämnena i fysik just nu, topologiska isolatorer speciella material där platsen är allt: förmågan av elektroner att flyta beroende på var de befinner sig i materialet. De flesta regioner i ett sådant material är isolerande och elektriska strömmen inte flödar fritt. Men i en platt, tvådimensionell topologiska isolatorer, kan nuvarande flöda fritt längs kanten i en riktning för en typ av spin, och i motsatt riktning till den motsatta typen av spinn. I 3-D topologiska isolatorer, skulle elektronerna flödar fritt på ytan men hämmas inuti materialet. Samtidigt som forskare har gjort högre och högre kvalitet versioner av denna speciella typ av material i fasta ämnen, kan spin-bana kopplingen fångade ultrakalla gaser av atomer hjälpa till att förverkliga topologiska isolatorer i sin renaste, mest orörda form, gaser är fria från föroreningar atomer och andra komplexa solida material.

Vanligtvis inte uppvisar atomer inte samma typ av spin-bana koppling som elektroner uppvisar i gallium-arsenid kristaller. Även om varje enskild atom har sin egen spin-bana koppling pågår mellan dess interna komponenter (elektroner och nucleus), i allmänhet atomen övergripande rörelse inte påverkas av den inre energimarknaden tillstånd.

Last Update: 23. October 2011 07:48

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