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(lái)模擬電子的基本行為。在過(guò)去的幾年中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院物理系量子電子研究所的Tilman Esslinger小組開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)中，被冷卻到接近絕對(duì)零度的原子在勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下通過(guò)一維和二維結(jié)構(gòu)傳輸。

通過(guò)這種方式，可以非常詳細(xì)地研究介觀電子系統(tǒng)中出現(xiàn)的定義現(xiàn)象，包括量化電導(dǎo)，其研究在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理評(píng)論A》期刊上。

研究作者博士后Laura Corman、前博士生Martin Lebrat和Esslinger小組報(bào)告表明：已經(jīng)在傳輸實(shí)驗(yàn)中掌握了對(duì)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(dǎo)了相當(dāng)于將原子暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中的局部相互作用。結(jié)果事故自旋態(tài)的簡(jiǎn)并性被提升，這反過(guò)來(lái)又成為有效自旋過(guò)濾器的基礎(chǔ)：一個(gè)自旋取向的原子被排斥，而另一個(gè)取向的原子可以自由通過(guò)(見(jiàn)上圖)。重要的是，即使施加額外的光場(chǎng)導(dǎo)致原子損失，這些耗散過(guò)程也不會(huì)破壞電導(dǎo)的量子化。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在數(shù)值模擬中復(fù)制了這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)擴(kuò)展Landauer-Büttiker模型(量子傳輸?shù)年P(guān)鍵形式)來(lái)證實(shí)其有效性。Esslinger群所展示的原子自旋過(guò)濾器效率與電子系統(tǒng)的最佳等效元素效率相匹配。這一點(diǎn)，再加上冷原子平臺(tái)的非凡清潔和可控性，為探索量子傳輸動(dòng)力學(xué)開(kāi)辟了令人興奮的新視角。特別地，由于原子之間的相互作用可以被調(diào)諧，該平臺(tái)提供了對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)的自旋傳輸訪(fǎng)問(wèn)。這種機(jī)制很難在其他方面進(jìn)行研究，但它具有相當(dāng)大的基礎(chǔ)和實(shí)際意義。

尤其是在自旋電子器件中的應(yīng)用和探索物質(zhì)的基本階段。研究實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)接觸(QPC)中冷費(fèi)米子原子的微觀自旋濾波器，并在保持電導(dǎo)量子化同時(shí)產(chǎn)生完全自旋極化的電流。方案的關(guān)鍵是一個(gè)近諧振光鑷子，在量子點(diǎn)接觸內(nèi)部誘導(dǎo)一個(gè)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(dòng)的重整化是由于量子點(diǎn)接觸中只有幾個(gè)原子的相互作用。研究代表了實(shí)際自旋電子器件的模擬，并為研究自旋分裂與遠(yuǎn)離平衡相互作用鋪平了道路。隨著系統(tǒng)中引入耗散，量子傳輸?shù)奶卣黝A(yù)計(jì)將迅速消失。

這種耗散可以采取幾種形式，包括粒子損失的形式，其結(jié)果是總概率電流不守恒。研究了超冷原子量子點(diǎn)接觸(QPC)時(shí)這種損耗的影響。實(shí)驗(yàn)上，耗散由近共振光鑷提供，其功率和失諧控制不同內(nèi)部原子態(tài)的損失率以及有效塞曼位移。通過(guò)在廣泛的耗散率范圍內(nèi)將損失包含在Landauer-Büttiker形式對(duì)這種情況進(jìn)行理論建模。發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果和模型之間有很好的一致性，兩者都具有穩(wěn)健的電導(dǎo)平臺(tái)。最后，可以通過(guò)改變量子點(diǎn)接觸內(nèi)近共振鑷子的位置來(lái)繪制原子密度圖，從而實(shí)現(xiàn)冷原子的耗散掃描門(mén)顯微鏡。

博科園｜研究/來(lái)自：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》《物理評(píng)論A》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.193605

DOI: 10.1103/PhysRevA.100.053605

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