Usando il loro orologio atomico avanzato per imitare altri desiderabili sistemi quantistici, I fisici JILA hanno fatto sì che gli atomi in un gas si comportassero come se possedessero proprietà magnetiche insolite a lungo ricercate nei materiali solidi più difficili da studiare. Rappresentando un nuovo uso "off-label" per gli orologi atomici, la ricerca potrebbe portare alla creazione di nuovi materiali per applicazioni come dispositivi "spintronici" e computer quantistici.

L'orologio atomico da record di JILA, in cui gli atomi di stronzio sono intrappolati in una griglia laser nota come reticolo ottico, risulta essere un ottimo modello per il comportamento magnetico dei solidi cristallini su scala atomica. Tali modelli sono preziosi per studiare le regole controintuitive della meccanica quantistica.

Per creare campi magnetici "sintetici", il team JILA ha unito due proprietà degli atomi dell'orologio per creare un fenomeno quantistico noto come accoppiamento spin-orbita. La lunga durata e il controllo di precisione degli atomi dell'orologio hanno permesso ai ricercatori di superare un problema comune in altri esperimenti di accoppiamento spin-orbita basati su gas, vale a dire riscaldamento e perdita di atomi a causa di cambiamenti spontanei negli stati atomici, che interferisce con gli effetti che i ricercatori stanno cercando di ottenere.

Il tipo più noto di accoppiamento spin-orbita si riferisce a un elettrone all'interno di un singolo atomo, dove lo spin di un elettrone (la direzione della sua quantità di moto, come una minuscola freccia rivolta verso l'alto o verso il basso) è bloccato nella sua orbita attorno al nucleo per dare origine a una ricca struttura atomica interna. Nel lavoro JILA, l'accoppiamento spin-orbita blocca lo spin di un atomo, che è come una minuscola barra magnetica interna, con il moto esterno dell'atomo attraverso il reticolo ottico. Il team JILA ha manipolato con precisione la rotazione e il movimento di migliaia di atomi di stronzio nell'orologio, misurato il campo magnetico sintetico risultante, e hanno osservato le firme chiave dell'accoppiamento spin-orbita come i cambiamenti nel movimento degli atomi che si increspano attraverso il reticolo in base al loro spin.

Gli esperimenti sono descritti in a Natura paper pubblicato online il 21 dicembre 2016. JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"L'accoppiamento spin-orbita è utile per studiare nuovi materiali quantistici, " Il membro del NIST/JILA Jun Ye ha detto. "Utilizzando il nostro orologio atomico per la simulazione quantistica, speriamo di stimolare nuove intuizioni e gettare nuova luce sui comportamenti emergenti dei sistemi topologici che sono utili per una robusta elaborazione delle informazioni quantistiche e per la spintronica".

L'accoppiamento spin-orbita è una caratteristica chiave dei materiali topologici, oggetto del lavoro teorico insignito del Premio Nobel per la fisica di quest'anno, che conducono elettricità sulla superficie ma fungono da isolanti all'interno. Questa caratteristica potrebbe essere utilizzata per realizzare nuovi dispositivi basati sullo spin degli elettroni invece della solita carica elettrica, e computer quantistici topologici, che in teoria potrebbe fare potenti calcoli in nuovi modi. Ma i materiali reali come questo sono difficili da realizzare e studiare:i gas atomici sono più puri e più facili da controllare.

Questa area di ricerca è abbastanza nuova. La prima dimostrazione dell'accoppiamento spin-orbita in un gas di atomi è stata ottenuta nel 2011 da un fisico del NIST presso il Joint Quantum Institute.

L'orologio JILA ha diverse caratteristiche che lo rendono un buon imitatore per i solidi cristallini. I ricercatori hanno usato i laser per sondare il "tic tac" dell'orologio, " la transizione degli atomi tra due livelli energetici. Il comportamento degli atomi allora assomigliava a quello degli elettroni in un materiale solido in presenza di un campo magnetico esterno, dove gli elettroni hanno due stati di spin ("spin up" e "spin down"). Quando un atomo è stato eccitato a uno stato di energia superiore, le leggi della fisica richiedevano la conservazione dell'energia e della quantità di moto, quindi la quantità di moto dell'atomo rallentò.

Il risultato finale è stato uno schema regolare di alternanza tra spin e quantità di moto degli atomi. Il modello si è verificato su migliaia di atomi regolarmente distanziati nella griglia laser, o reticolo ottico, un'analogia con la struttura reticolare dei cristalli solidi. Poiché lo stato atomico eccitato è durato 160 secondi, i ricercatori hanno avuto tutto il tempo per effettuare misurazioni senza perdite di atomi o riscaldamento.

L'uso di un orologio atomico come simulatore quantistico offre la prospettiva per il tempo reale, non distruttivo, misure della dinamica atomica in un reticolo ottico. L'orologio e le simulazioni correnti hanno gli atomi disposti in una dimensione. Però, nel futuro, i ricercatori sperano di accoppiare più tipi di stati di spin atomici sintetici per creare comportamenti esotici a livelli più complessi. Il team di Ye sta sviluppando una versione 3D dell'orologio atomico aggiungendo più raggi laser per formare più reticoli, che dovrebbero consentire l'accoppiamento spin-orbita in più dimensioni.