Usando seu relógio atômico avançado para imitar outros sistemas quânticos desejáveis, Os físicos do JILA fizeram com que os átomos de um gás se comportassem como se possuíssem propriedades magnéticas incomuns, há muito procuradas em materiais sólidos mais difíceis de estudar. Representando um novo uso "off-label" para relógios atômicos, a pesquisa pode levar à criação de novos materiais para aplicações como dispositivos "spintrônicos" e computadores quânticos.

O relógio atômico recorde de JILA, em que os átomos de estrôncio são aprisionados em uma grade de laser conhecida como rede óptica, acaba por ser um excelente modelo para o comportamento magnético de sólidos cristalinos em escala atômica. Esses modelos são valiosos para estudar as regras contra-intuitivas da mecânica quântica.

Para criar campos magnéticos "sintéticos", a equipe da JILA uniu duas propriedades dos átomos do relógio para criar um fenômeno quântico conhecido como acoplamento spin-órbita. A longa vida útil e o controle de precisão dos átomos do relógio permitiram aos pesquisadores superar um problema comum em outros experimentos de acoplamento spin-órbita baseados em gás. a saber, aquecimento e perda de átomos devido a mudanças espontâneas nos estados atômicos, o que interfere nos efeitos que os pesquisadores estão tentando alcançar.

O tipo mais conhecido de acoplamento spin-órbita se refere a um elétron dentro de um único átomo, onde o spin de um elétron (a direção de seu momento, como uma pequena seta apontando para cima ou para baixo) é bloqueada em sua órbita ao redor do núcleo para dar origem a uma rica estrutura atômica interna. No trabalho JILA, o acoplamento spin-órbita bloqueia o spin de um átomo, que é como um pequeno ímã de barra interno, com o movimento externo do átomo através da rede óptica. A equipe da JILA manipulou com precisão a rotação e o movimento de milhares de átomos de estrôncio no relógio, mediu o campo magnético sintético resultante, e observaram as principais assinaturas do acoplamento spin-órbita, como mudanças no movimento do átomo que ondula através da rede com base em seu spin.

Os experimentos são descritos em um Natureza artigo publicado online em 21 de dezembro, 2016. JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

"O acoplamento spin-órbita é útil para estudar novos materiais quânticos, "NIST / JILA Fellow Jun Ye disse." Ao usar nosso relógio atômico para simulação quântica, esperamos estimular novos insights e lançar uma nova luz sobre comportamentos emergentes de sistemas topológicos que são úteis para processamento robusto de informações quânticas e spintrônica. "

O acoplamento spin-órbita é uma característica fundamental dos materiais topológicos - o tema do trabalho teórico homenageado no Prêmio Nobel de Física deste ano - que conduz eletricidade na superfície, mas agem como isolantes no interior. Esta característica poderia ser usada para fazer novos dispositivos baseados no spin do elétron em vez da carga elétrica usual, e computadores quânticos topológicos, que, em teoria, poderia fazer cálculos poderosos de novas maneiras. Mas materiais reais como esse são difíceis de fazer e estudar - os gases atômicos são mais puros e fáceis de controlar.

Esta área de pesquisa é relativamente nova. A primeira demonstração de acoplamento spin-órbita em um gás de átomos foi realizada em 2011 por um físico do NIST no Joint Quantum Institute.

O relógio JILA possui vários recursos que o tornam um bom simulador para sólidos cristalinos. Os pesquisadores usaram lasers para sondar os "tiques do relógio, "a transição dos átomos entre dois níveis de energia. O comportamento dos átomos então se assemelhava ao dos elétrons em um material sólido na presença de um campo magnético externo, onde os elétrons têm dois estados de spin ("spin para cima" e "spin para baixo"). Quando um átomo foi excitado para um estado de alta energia, as leis da física exigiam que a energia e o momento fossem conservados, então o momentum do átomo diminuiu.

O resultado final foi um padrão regular de alternância entre o spin e o momento dos átomos. O padrão ocorreu em milhares de átomos regularmente espaçados na grade de laser, ou rede óptica, uma analogia com a estrutura de rede dos cristais sólidos. Como o estado atômico excitado durou 160 segundos, os pesquisadores tiveram bastante tempo para fazer medições sem perdas de átomos ou aquecimento.

O uso de um relógio atômico como simulador quântico oferece a perspectiva de tempo real, não destrutivo, medições da dinâmica do átomo em uma rede óptica. O relógio atual e as simulações têm os átomos organizados em uma dimensão. Contudo, no futuro, os pesquisadores esperam acoplar vários tipos de estados de spin atômicos sintéticos para criar um comportamento exótico em níveis mais complexos. A equipe de Ye está desenvolvendo uma versão 3-D do relógio atômico adicionando mais feixes de laser para formar mais redes, que devem permitir o acoplamento spin-órbita em dimensões múltiplas.