JILA的物理学家使用其先进的原子钟来模仿其他所需的量子系统，从而使气体中的原子表现出似乎具有在难以研究的固体材料中长期寻求的异常磁性能。该研究代表了原子钟的一种新颖的“标签外”用途，可以导致为“自旋电子”设备和量子计算机等应用创建新的材料。

　　JILA创纪录的原子钟，其中锶原子被困在被称为光学晶格的激光栅格中，事实证明，它是结晶固体在原子尺度上的磁行为的出色模型。这样的模型对于研究量子力学的反直觉规则是有价值的。

　　为了产生“合成”磁场，JILA团队将时钟原子的两个属性锁定在一起，以创建称为自旋轨道耦合的量子现象。时钟原子的长寿命和精确控制使研究人员能够克服其他基于气体的自旋轨道耦合实验中的一个常见问题，即原子状态自发变化导致的加热和原子损失，这会干扰研究人员正在尝试的效应实现。

　　最著名的自旋轨道耦合类型是指单个原子内的电子，其中电子的自旋(其动量方向，如向上或向下的细箭头所示)被锁定在其围绕原子核的轨道上形成丰富的内部原子结构。在JILA的工作中，自旋轨道耦合通过原子的外部运动通过光学晶格来锁定原子的自旋，这就像一个微小的内部棒状磁体。JILA团队精确地控制了时钟中数千个锶原子的自旋和运动，测量了合成磁场，并观察了自旋-轨道耦合的关键特征，例如原子运动基于其自旋而在晶格中荡漾的变化。

　　实验在 2016年12月21日在线发表的《自然》杂志上进行了描述。JILA由美国国家标准技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

　　NIST / JILA研究员Jun Ye说：“自旋轨道耦合对于研究新型量子材料很有用。” “通过使用我们的原子钟进行量子仿真，我们希望激发新的见识，并为拓扑系统的新兴行为提供新的启示，这些拓扑系统对于强大的量子信息处理和自旋电子学很有用。”

　　自旋轨道耦合是拓扑材料的一项重要功能，拓扑材料是今年的诺贝尔物理学奖所授予的理论工作的主题，它在表面上导电但在内部充当绝缘体。该特性可用于制造基于电子自旋而不是通常的电荷的新型设备，以及拓扑量子计算机，它们在理论上可以以新的方式进行强大的计算。但是像这样的真实材料很难制造和研究-原子气体更纯净且更易于控制。

　　这个研究领域是相当新的。联合量子研究所的NIST物理学家于2011年实现了原子气体中自旋轨道耦合的首次演示。

　　JILA时钟具有多种功能，使其非常适合结晶固体。研究人员使用激光探测时钟“滴答声”，即原子在两个能级之间的跃迁。然后，原子的行为类似于固体材料在外部磁场存在下的电子行为，其中电子具有两种自旋状态(“自旋”和“自旋”)。当原子被激发到高能态时，物理学定律要求守恒能量和动量，因此原子的动量变慢了。

　　最终结果是在原子的自旋和动量之间来回切换的规则模式。图案出现在激光网格或光学晶格中规则排列的数千个原子上，类似于固态晶体的晶格结构。由于激发原子状态持续了160秒，因此研究人员有足够的时间进行测量，而没有原子损失或发热。

　　原子钟作为量子模拟器的使用为光学晶格中原子动力学的实时，非破坏性测量提供了前景。当前的时钟和模拟将原子排列在一维中。然而，将来，研究人员希望结合多种类型的合成原子自旋态，以在更复杂的水平上产生奇异的行为。Ye的团队正在通过添加更多的激光束以形成更多的晶格来开发原子钟的3D版本，这有望实现多维自旋轨道耦合。

　　该研究得到NIST，美国国家科学基金会，空军科学研究所，国防高级研究计划局和陆军研究处的支持。