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科学家的自旋 - 轨道耦合技术在量子计算的潜在应用

Published on March 4, 2011 at 4:15 AM

在联合量子研究所(JQI),合作的国家标准和技术研究所(NIST)和马里兰大学学院公园,物理学家们首次引起了原子气体,表现出一个重要的量子现象称为自旋 - 轨道耦合。

他们的技术打开新的可能性,为学习和更好地理解基本的物理和量子计算,下一代的“自旋电子学”器件,甚至“atomtronic”超冷原子的设备的应用潜力。

在近20万87铷原子(显示为大拱)的原子可以占据两个能级(红色和蓝色代表)之一的超冷气体激光器,然后连结在一起作为一个原子的议案功能这些水平。在红色和蓝色的能量状态的第一个原子占据同一地区(相杂),然后,在更高的激光优势,他们单独到不同地区(相分离)。

在研究人员的自旋轨道耦合的示范,两个激光器使一个原子的议案一双能量状态之间翻转。新的工作,在“自然”杂志上发表,表明这种效果,为首次在玻色子,从而弥补了粒子的两个主要类别之一。同样的技术可以应用到费米子,其他颗粒物的主要类别,根据研究人员。费米子的特殊性质,会令他们两个粒子 - 例如那些导致小说“P波”超导电性,这可能使长期追求的形式被称为拓扑量子计算的量子计算之间的相互作用为研究各种新的理想。

在一个意想不到的发展,该小组还发现,激光改性与对方,造成一个能量状态的原子相互作用的原子是如何在其他的能量状态的原子在空间上分开。

在量子物理学的最重要的现象之一,自旋 - 轨道耦合描述一个粒子的内部属性和外部属性之间可能发生相互作用。在原子,它通常描述只有一个原子发生相互作用:围绕一个原子的核心电子的轨道(核)如何影响电子内部条形磁铁般“自旋的方向。”如砷化镓半导体材料,自旋 - 轨道耦合是一个电子的自旋和直线运动,在材料之间的相互作用。

“自旋 - 轨道耦合往往是一件坏事,说:”JQI伊恩斯皮尔曼,纸张的资深作者。 “研究人员提出”自旋电子“砷化镓器件,如果你准备了一些希望的方向自旋,你想要它做的最后一件事情是当它移动到其他一些自旋翻转。”

“但是,从基础物理学的角度来看,自旋 - 轨道耦合是非常有趣的,”他说。 “这是什么驱动这些新品种的所谓材料的”拓扑绝缘体“。”

物理学中最热门的话题之一,现在,拓扑绝缘体是在哪个位置就是一切的特殊材料:电子流的能力,取决于它们在位于材料。这种物质的大部分地区是绝缘的,电流不自由流动。但在一个平面,二维拓扑绝缘体,电流可以自由流动,在一个方向上为一种类型的自旋和自旋相反的一种相反的方向,沿着边缘。在三维拓扑绝缘体,电子自由流动,表面上,但里面的物质抑制。虽然研究人员已经使得这一类特殊的固体材料和更高质量的版本,可以帮助被困超冷气体原子的自旋 - 轨道耦合在其最纯粹,最原始的形式实现的拓扑绝缘体,气体无杂质原子和其他复杂的固体材料。

通常情况下,原子不表现出的电子在砷化镓晶体表现出同一种自旋 - 轨道耦合。虽然每一个人的原子都有自己的自旋 - 轨道耦合之间的内部组件(电子和原子核),原子的整体运动一般不影响其内部的能量状态。

但研究人员能够改变这种状况。在他们的实验中,研究人员被困和冷却约20万下降到100 nanokelvins,3亿次,比室温冷铷87原子的气体。研究人员选择了一双能量状态,类似“旋转”和“降速”国家电子,可从原子的能量水平。一个原子可以占据这些“赝”的国家之一。然后,研究人员原子激光器照射对,以改变原子的能量,其势头(其质量乘以速度),因此它的运动之间的关系。这创造了原子自旋 - 轨道耦合:移动原子的速度,取决于它的速度时它的两个“旋转”的国家之间的翻转。

“这表明,使用激光来创建原子自旋 - 轨道耦合的想法,这是我们希望看到,”斯皮尔曼说。 “但别的东西真的整齐的发生。”

他们把他们的激光的强度,和一个自旋态的原子开始排斥其他自旋态的原子,使它们分开。

“斯皮尔曼说,”我们从根本上改变这些原子是如何彼此互动。 “我们没有预料到,很幸运。”

在研究人员的实验的铷原子的玻色子,善交际的粒子,都可以到同一个空间的人群,即使他们拥有在其属性相同的值,包括自旋。但是斯皮尔曼的计算表明,他们还可以创建这在费米子的超冷气体的效果相同。费米子,更多的反社会的原子类型,不能占据相同的空间,当他们在相同的状态。用于创建新的费米子之间相互作用的其他方法相比,自旋态会更容易控制和更长的寿命。

一个自旋 - 轨道耦合费米气体能够与自己,因为激光器的有效分割成两个截然不同的部分组成,每个都有其自己的自旋态每个原子,这种原子和两个不同的速度,然后交互和另一对。这种配对开辟了可能性,斯皮尔曼说,研究新形式的超导电性,特别是“P波”超导,其中两个配对的原子有一个量子力学的阶段,其相对方向取决于。这种P波超导体可能使一个被称为拓扑量子计算量子计算的形式。

来源: http://www.nist.gov/

Last Update: 7. October 2011 17:13

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