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2016-12-23 17:45 |
实验天体研究所利用原子钟实现长期合成磁态的模拟
利用先进的原子钟来模仿其他理想的量子系统，实验天体物理联合研究所(JILA)的物理学家们实现让气体中的原子的行为具有不寻常的磁性特性，这在固体材料中已经进行了很艰难的很长的研究过程。这可代表了一种应用在原子钟内的新的“关闭标签”研究，可以为应用程序如“自旋”器件和量子计算机等创造新材料。 k
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实验天体物理联合研究所所研究的这种纪录的原子钟，其中锶原子被困在一种称为光学晶格的激光网格中，被证明是在原子尺度上的晶体磁性行为的模型典型。这样的模型来研究量子力学的怪诞的规则是很有价值的。 0_qr7Ui8(
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创建“合成”的磁场，JILA团队把在一起的两个性质的钟原子制造出一个量子现象称为自旋-轨道耦合。原子钟的长寿命和高精度的控制特性使研究人员能够克服其他气基自旋轨道耦合平台中的问题，即由于加热和原子自发改变所产生的原子损耗，这种效应所产生的干扰正是研究人员努力实现的。 e!J5h <:
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最著名的自旋轨道耦合是指单个原子内的电子，其中电子的自旋（其动量方向，如一个指向上或向下的小箭头）被锁定在原子核周围的轨道上，从而产生丰富的内部原子结构。在这种工作中，自旋轨道耦合原子的自旋锁，它就像一个小小的内部磁铁棒，通过光学晶格实现原子外部的运动。实验天体物理联合研究所的研究团队精确操纵原子钟的数以千计的自旋的锶原子的运动，测量产生的合成磁场，观察自旋轨道耦合的关键信号，例如通过晶格的基于其自旋的原子运动波的变化。 rn
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这个实验的相关研究过程已经在线发表在《自然》杂志上的一篇论文中。实验天体物理联合研究所是由美国国家标准技术研究所（NIST）以及科罗拉多大学博尔德分校共同合作组建。 KKpM=MZ
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“自旋轨道耦合对于研究新型的量子材料是十分有用的，” NIST/JILA的成员Jun Ye说。“通过使用我们的量子模拟原子钟，我们有望激发和揭示新型的拓扑系统，这对于实现强大的量子信息处理和自旋电子学是有用。” "]j N'N(.
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自旋轨道耦合是拓扑材料的一个重要特征，关于这一主题的理论工作在今年的诺贝尔物理学奖中获奖，其特性的在其表面上是导电的，但在内部却充当绝缘体。这种特性可以用来制造新的设备，而不是通常的电荷的基础上的电子自旋，拓扑量子计算机，在理论上可以以一种新的方式实现强大的计算。具有这种特性的真实的材料是很难制作和进行研究的，但原子气体更纯净、更容易控制。 dF `7]
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这一领域的研究是相当前沿的。气体中原子的自旋轨道的耦合的第一个示范是由NIST物理学家2011年时在联合量子研究所实现的。 RF*>U a
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实验天体物理联合研究所研究出的原子钟具有几个特点，是对结晶固体的一个很好的模仿。研究人员使用激光探测时钟的“滴答”，即两个能级之间的原子跃迁。在外部磁场存在的情况下，原子的行为类似于固体材料中的电子，其中电子有两个自旋态（“自旋上升”和“自旋下降”）。当原子被激发到更高的能量状态时，物理定律要求能量和动量守恒，所以原子的动量减慢了。 8(j]=n6 r
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最终的结果是原子自旋和动量之间来回切换，形成这种规律的模式。在激光网格，或光学晶格中，该模式发生在成千上万的原子定期排列，这可以比拟成在固体晶体中晶格结构中的现象。由于原子的激发状态持续了160秒，研究人员有充裕的时间进行测量，而没有原子损耗或加热.。 qJF'KHyU{l
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作为一个量子模拟器的原子钟的使用，提供了实时的、非破坏性的，并可在光晶格中进行原子动力学测量的前景。当前的时钟和模拟的原子排列在一个维度。然而，在未来，研究者希望通过多种类型的合成原子自旋态来创造更复杂的奇异行为。Ye的团队正在开发一个3-D版本的原子钟，通过增加更多的激光束形成更多的晶格，预计将在多个维度实现自旋轨道耦合。
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