Forskere i Storbritannien har lavet beregninger, der viser, hvordan "snoet lys" kan bruges til at manipulere de ultrakolde atomer i en eksotisk stoftilstand kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC). Ved hjælp af teoretiske modeller, Grant Henderson og kolleger ved det britiske University of Strathclyde opdagede, at solitoner af lys-stof kunne genereres gennem interaktionen mellem proptrækkerformede bølgefronter af lys og BEC'er.
BEC'er er en eksotisk stoftilstand, hvor en gas af identiske atomer afkøles tæt på det absolutte nulpunkt. Dette driver en stor del af atomerne ind i den laveste kvantetilstand, og når dette sker, er gassens fysik defineret af en makroskopisk bølgefunktion.
Et særligt interessant træk ved BEC'er er solitoner, som er bølgepakker, der bevarer deres former, mens de rejser. Solitoner findes også på tværs af en bred vifte af felter, herunder hydrodynamik, ferroelektriske materialer og superledere.
En rumlig optisk soliton opstår, når lysets diffraktion i et medium er nøje afbalanceret ved selvfokusering. Selvfokusering er en ikke-lineær effekt, der involverer, at lyset selv ændrer mediets optiske egenskaber.
Vridende dipoler
I deres undersøgelse udforskede Hendersons team et mere komplekst scenarie. I stedet for en konventionel laserstråle med en Gaussisk intensitetsfordeling betragtede de "snoet" lys. Dette er lys med en bølgefront, der snoer sig rundt om sin rejseakse som en proptrækker. Disse stråler bærer orbital vinkelmomentum, hvilket betyder, at de kan rotere elektriske dipoler i atomskala, som de møder i et medium.
Holdet beregnede, hvad der ville ske, når en stråle af snoet lys interagerer med atomerne i en BEC, der bevæger sig i samme retning som lyset. De forudsiger, at den selvfokuserende effekt ville få det snoede lys til at fragmentere i solitoner. Da BEC's atomer er tiltrukket af lys med høj intensitet, ville atomerne blive "fanget" af de optiske solitoner. Resultatet er skabelsen af koblede lys-atom-bølgepakker.
Lette gafler én vej i et Bose-Einstein-kondensat
Atomerne i disse pakker vrider sig, mens de udbreder sig, og holdet fandt ud af, at antallet af pakker, der blev skabt, er lig med det dobbelte af kredsløbsvinkelmomentet af det snoede lys. Ovenstående figur viser for eksempel skabelsen af de fire solitoner, der ville opstå, når lys med en orbital vinkelmomentum på to interagerer med en BEC.
Opdagelsen præsenterer en simpel ny teknik til at forme eksotisk stof til komplekse former og omhyggeligt kontrollere transporten af BEC-atomer. Henderson og kolleger foreslår nu, at effekten kan udnyttes i nye kvanteteknologier: herunder ultrafølsomme detektorer og kredsløb, der bruger neutrale atomer til at overføre strømme.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
