Первая реализация спинового эффекта Холла

 Ученые-физики впервые в истории науки продемонстрировали новый способ управления вращением атомов - достижение, которое может стать основой для создания новых типов спинтронных и атомотронных устройств, состоящих из электронных схем, для переноса и обработки информации использующих не электрические заряды, а вращение электронов или атомов. Помимо этого, выявленные принципы управления спином пригодятся ученым при разработке новых высокочувствительных датчиков и научных приборов для дальнейшего изучения тайн фундаментальной физики.

 

Управление вращением электронов и атомом не является чем-то абсолютно новым, уже достаточно давно ученые могут с помощью света лазера заставить атомы вращаться или изменить направление своего вращения. Но нынешнее достижение примечательно тем, что ученым удалось проделать все манипуляции с вращением атомов конденсата Бозе-Эйнштейна, в сверхохлажденном газе, состоящем из атомов тяжелых элементов, который демонстрирует удивительные физические и квантовые свойства.

 

Исследовательская группа, состоящая из ученых Объединенного квантового института (Joint Quantum Institute), Национального института стандартов и технологий (National Institute for Standards and Technology, NIST) и университета Мэриленда, используя свет нескольких лазеров, поймала атомы рубидия в ловушку внутри вакуумной камеры. Атомы рубидия сформировали крошечное облако размером около 10 микрон, что приблизительно в 10 раз больше размеров бактерий. После этого атомное облако было охлаждено до температуры в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного ноля.

 

Охладив атомы до чрезвычайно низкой температуры, ученые получили конденсат Бозе-Эйнштейна, специальное газообразное состояние материи, в котором все атомы находятся в самом низком энергетическом квантово-механическом состоянии. В этом состоянии атомы вращаются упорядочено, в одной плоскости и в одном направлении. Таким образом, все облако конденсата Бозе-Эйнштейна демонстрирует квантовые свойства, проявляющиеся в обычных условиях только на уровне отдельных атомов.

 

Кроме того, сверхохлажденные атомы легче отслеживать и измерять их характеристики, ведь они двигаются относительно медленно. При нормальной температуре атомы двигаются намного быстрее и для проведения экспериментов требуется установка гораздо больших размеров.

 

Завершив создание конденсата Бозе-Эйнштейна, исследователи "толкнули" атомы конденсата с помощью света набора лазеров. Этот маленький толчок заставил атомы колебаться, а в это время исследователи производили наблюдение за атомами с различными моментами вращения. Они заметили, что внутри облака охлажденных атомов имело место быть явление магнитного самовыравнивания, одни атомы переместились в одну сторону, другие - в другую, в зависимости от направления их вращения.

 

Такое движение называют спиновым эффектом Холла. Этот эффект влияет на частицы, вращающиеся в разных направлениях, но в одной плоскости, когда через них протекает электрический ток. Под воздействием этого тока частицы, которые могут быть как электронами, так и атомами, перемещаются в направлении перпендикулярном направлению распространения электрического тока.

 

Спиновые эффекты Холла были обнаружены в различных твердых материалах, в частности, в полупроводниках, что широко используется для производства датчиков магнитного поля, известных всем под названием "датчики Холла". Но в описываемых исследованиях эффект Холла был получен с использованием конденсата Бозе-Эйнштейна. Вызывая влияние эффекта Холла на атомы рубидия, исследователи продемонстрировали, что они могут управлять вращением атомов и их перемещением с помощью лазерного света.

 

В теории, такое устройство может считаться транзистором, управляющим вращением атома, атомотронным устройством, которое служит элементарной единицей схем, передающих и обрабатывающих информацию, представленную в виде направления вращения атомов. К сожалению, на сегодня такой подход не позволяет создавать логические элементы квантового компьютера. Однако ученые, используя в своих опытах спиновой эффекта Холла, располагают ценной возможностью изучать поведение сложных квантовых систем,  что в дальнейшем, несомненно, позволит применять полученные знания на практике.

 

 

 

 

по материалам портала Чернигова