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, которые для переноса и обработки информации используют не электрические заряды, а вращение электронов или атомов. Помимо этого, новые принципы управления спином могут быть использованы в создании новых высокочувствительных датчиков и научных приборов, которые помогут ученым глубже проникнуть в тайны 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, поймали 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, который может служить элементарной единицей схем, передающих и обрабатывающих информацию, представленную в виде направления вращения атомов. К сожалению, такой подход не может быть использован для создания логических элементов квантового компьютера. Но для ученых использование спинового эффекта Холла может стать тем окном, через которое они смогут изучить поведение сложных квантовых систем и получить знания, которые позже уже можно будет применить на практике.