Les physiciens du JILA ont utilisé une horloge atomique à réseau de strontium pour simuler les propriétés magnétiques longtemps recherchées dans les matériaux solides. Les atomes sont confinés dans un réseau optique, montré comme un réseau de pièges en forme de disque installés à de faibles profondeurs. Un laser (onde jaune) sonde les atomes pour coupler les spins et les mouvements des atomes. Les deux états de spin atomique (rouge et bleu), qui sont aussi l'horloge Crédit :Steven Burrows et Ye Group/JILA
En utilisant leur horloge atomique avancée pour imiter d'autres systèmes quantiques souhaitables, Les physiciens du JILA ont fait en sorte que les atomes d'un gaz se comportent comme s'ils possédaient des propriétés magnétiques inhabituelles longtemps recherchées dans les matériaux solides plus difficiles à étudier. Représentant une nouvelle utilisation "hors étiquette" pour les horloges atomiques, la recherche pourrait conduire à la création de nouveaux matériaux pour des applications telles que les dispositifs « spintroniques » et les ordinateurs quantiques.
L'horloge atomique record de JILA, dans lequel des atomes de strontium sont piégés dans une grille laser appelée réseau optique, s'avère être un excellent modèle pour le comportement magnétique des solides cristallins à l'échelle atomique. De tels modèles sont précieux pour étudier les règles contre-intuitives de la mécanique quantique.
Pour créer des champs magnétiques "synthétiques", l'équipe JILA a associé deux propriétés des atomes d'horloge pour créer un phénomène quantique connu sous le nom de couplage spin-orbite. La longue durée de vie et le contrôle de précision des atomes d'horloge ont permis aux chercheurs de surmonter un problème commun dans d'autres expériences de couplage spin-orbite à base de gaz, à savoir l'échauffement et la perte d'atomes dus à des changements spontanés d'états atomiques, ce qui interfère avec les effets que les chercheurs tentent d'obtenir.
Le type le plus connu de couplage spin-orbite fait référence à un électron à l'intérieur d'un seul atome, où le spin d'un électron (la direction de sa quantité de mouvement, comme une petite flèche pointant vers le haut ou vers le bas) est verrouillé sur son orbite autour du noyau pour donner naissance à une riche structure atomique interne. Dans le travail de JILA, le couplage spin-orbite bloque le spin d'un atome, qui ressemble à un minuscule barreau magnétique interne, avec le mouvement externe de l'atome à travers le réseau optique. L'équipe JILA a manipulé avec précision le spin et le mouvement de milliers d'atomes de strontium dans l'horloge, mesuré le champ magnétique synthétique résultant, et observé les signatures clés du couplage spin-orbite telles que les changements dans le mouvement des atomes ondulant à travers le réseau en fonction de leur spin.
Les expériences sont décrites dans un La nature article publié en ligne le 21 décembre 2016. JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.
"Le couplage spin-orbite est utile pour étudier de nouveaux matériaux quantiques, « En utilisant notre horloge atomique pour la simulation quantique, nous espérons stimuler de nouvelles connaissances et jeter un nouvel éclairage sur les comportements émergents des systèmes topologiques qui sont utiles pour le traitement de l'information quantique et la spintronique."
Le couplage spin-orbite est une caractéristique clé des matériaux topologiques - le sujet de travaux théoriques récompensés par le prix Nobel de physique de cette année - qui conduisent l'électricité à la surface mais agissent comme des isolants à l'intérieur. Cette caractéristique pourrait être utilisée pour fabriquer de nouveaux dispositifs basés sur le spin électronique au lieu de la charge électrique habituelle, et les ordinateurs quantiques topologiques, qui, en théorie, pourraient faire des calculs puissants de nouvelles manières. Mais de vrais matériaux comme celui-ci sont difficiles à fabriquer et à étudier – les gaz atomiques sont plus purs et plus faciles à contrôler.
Ce domaine de recherche est relativement nouveau. La première démonstration de couplage spin-orbite dans un gaz d'atomes a été réalisée en 2011 par un physicien du NIST au Joint Quantum Institute.
L'horloge JILA possède plusieurs caractéristiques qui en font un bon imitateur pour les solides cristallins. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour sonder les « tic d'horloge, " la transition des atomes entre deux niveaux d'énergie. Le comportement des atomes ressemblait alors à celui des électrons dans un matériau solide en présence d'un champ magnétique extérieur, où les électrons ont deux états de spin ("spin up" et "spin down"). Lorsqu'un atome était excité à un état d'énergie supérieure, les lois de la physique exigeaient que l'énergie et la quantité de mouvement soient conservées, donc l'élan de l'atome a ralenti.
Le résultat final était un modèle régulier de va-et-vient entre le spin et la quantité de mouvement des atomes. Le motif s'est produit à travers des milliers d'atomes régulièrement espacés dans la grille laser, ou réseau optique, une analogie avec la structure en réseau des cristaux solides. Parce que l'état atomique excité a duré 160 secondes, les chercheurs ont eu amplement le temps de faire des mesures sans pertes d'atomes ni chauffage.
L'utilisation d'une horloge atomique comme simulateur quantique offre la perspective d'un temps réel, non destructif, mesures de la dynamique des atomes dans un réseau optique. L'horloge actuelle et les simulations ont les atomes disposés dans une dimension. Cependant, à l'avenir, les chercheurs espèrent coupler plusieurs types d'états de spin atomiques synthétiques pour créer un comportement exotique à des niveaux plus complexes. L'équipe de Ye développe une version 3D de l'horloge atomique en ajoutant plus de faisceaux laser pour former plus de réseaux, qui devraient permettre le couplage spin-orbite dans plusieurs dimensions.
