原子有不同自旋？已在傳輸實驗中，成果掌握對量子自旋的控制

2020-10-17 科學之美

利用電荷中性原子可以做更出乎意料的事情之一是：用它們來模擬電子的基本行為。在過去的幾年中，蘇黎世聯邦理工學院物理系量子電子研究所的Tilman Esslinger小組開創了一個平臺，在這個平臺中，被冷卻到接近絕對零度的原子在勢差驅動下通過一維和二維結構傳輸。通過這種方式，可以非常詳細地研究介觀電子系統中出現的定義現象，包括量化電導，其研究在發表在《物理評論快報》和《物理評論A》期刊上。

研究作者博士後Laura Corman、前博士生Martin Lebrat和Esslinger小組報告表明：已經在傳輸實驗中掌握了對量子自旋的控制。研究小組向傳輸通道中添加了一束聚焦緊密的光束，這種光束誘導了相當於將原子暴露在強磁場中的局部相互作用。結果事故自旋態的簡併性被提升，這反過來又成為有效自旋過濾器的基礎：一個自旋取向的原子被排斥，而另一個取向的原子可以自由通過(見上圖)。重要的是，即使施加額外的光場導致原子損失，這些耗散過程也不會破壞電導的量子化。

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員在數值模擬中複製了這一實驗發現，並通過擴展Landauer-Büttiker模型(量子傳輸的關鍵形式)來證實其有效性。Esslinger群所展示的原子自旋過濾器效率與電子系統的最佳等效元素效率相匹配。這一點，再加上冷原子平臺的非凡清潔和可控性，為探索量子傳輸動力學開闢了令人興奮的新視角。

特別地，由於原子之間的相互作用可以被調諧，該平臺提供了對強關聯量子系統的自旋傳輸訪問。這種機制很難在其他方面進行研究，但它具有相當大的基礎和實際意義。尤其是在自旋電子器件中的應用和探索物質的基本階段。研究實現了量子點接觸(QPC)中冷費米子原子的微觀自旋濾波器，並在保持電導量子化同時產生完全自旋極化的電流。

方案的關鍵是一個近諧振光鑷子，在量子點接觸內部誘導一個很大的有效塞曼位移，而局域特性限制了耗散。研究觀察到這種移動的重整化是由於量子點接觸中只有幾個原子的相互作用。研究代表了實際自旋電子器件的模擬，並為研究自旋分裂與遠離平衡相互作用鋪平了道路。隨著系統中引入耗散，量子傳輸的特徵預計將迅速消失。這種耗散可以採取幾種形式，包括粒子損失的形式，其結果是總概率電流不守恆。

研究了超冷原子量子點接觸(QPC)時這種損耗的影響。實驗上，耗散由近共振光鑷提供，其功率和失諧控制不同內部原子態的損失率以及有效塞曼位移。通過在廣泛的耗散率範圍內將損失包含在Landauer-Büttiker形式對這種情況進行理論建模。發現測量結果和模型之間有很好的一致性，兩者都具有穩健的電導平臺。最後，可以通過改變量子點接觸內近共振鑷子的位置來繪製原子密度圖，從而實現冷原子的耗散掃描門顯微鏡。

博科園｜研究/來自：蘇黎世聯邦理工學院

參考期刊《物理評論快報》《物理評論A》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.193605

DOI: 10.1103/PhysRevA.100.053605

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