Forscher in Großbritannien haben Berechnungen durchgeführt, die zeigen, wie „verdrehtes Licht“ verwendet werden kann, um die ultrakalten Atome in einem exotischen Materiezustand namens Bose-Einstein-Kondensat (BEC) zu manipulieren. Anhand von theoretischen Modellen, Grant Henderson und Kollegen an der britischen Universität Strathclyde entdeckten, dass Licht-Materie-Solitonen durch die Wechselwirkung zwischen korkenzieherförmigen Lichtwellenfronten und BECs erzeugt werden könnten.
BECs sind ein exotischer Materiezustand, in dem ein Gas aus identischen Atomen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Dies treibt einen großen Teil der Atome in den niedrigsten Quantenzustand, und wenn dies eintritt, wird die Physik des Gases durch eine makroskopische Wellenfunktion definiert.
Ein besonders interessantes Merkmal von BECs sind Solitonen, Wellenpakete, die ihre Form auf ihrem Weg beibehalten. Solitonen finden sich auch in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Hydrodynamik, ferroelektrische Materialien und Supraleiter.
Ein räumliches optisches Soliton tritt auf, wenn die Lichtbeugung in einem Medium durch Selbstfokussierung sorgfältig ausgeglichen wird. Selbstfokussierung ist ein nichtlinearer Effekt, bei dem das Licht selbst die optischen Eigenschaften des Mediums verändert.
Verdrehte Dipole
In ihrer Studie untersuchte Hendersons Team ein komplexeres Szenario. Anstelle eines herkömmlichen Laserstrahls mit Gaußscher Intensitätsverteilung betrachteten sie „verdrehtes“ Licht. Dies ist ein Licht mit einer Wellenfront, die sich wie ein Korkenzieher um seine Bewegungsachse windet. Diese Strahlen tragen einen orbitalen Drehimpuls, was bedeutet, dass sie elektrische Dipole im atomaren Maßstab drehen können, auf die sie in einem Medium treffen.
Das Team berechnete, was passieren würde, wenn ein verdrehter Lichtstrahl mit den Atomen eines BEC interagiert, das sich in die gleiche Richtung wie das Licht bewegt. Sie sagen voraus, dass der selbstfokussierende Effekt dazu führen würde, dass das verdrehte Licht in Solitonen zersplittert. Da die Atome des BEC von hochintensivem Licht angezogen werden, würden die Atome von den optischen Solitonen „eingefangen“. Das Ergebnis ist die Erzeugung gekoppelter Licht-Atom-Wellenpakete.
Licht gabelt sich in einem Bose-Einstein-Kondensat in eine Richtung
Die Atome in diesen Paketen verdrehen sich bei ihrer Ausbreitung, und das Team fand heraus, dass die Anzahl der erzeugten Pakete dem doppelten Umlaufdrehimpuls des verdrehten Lichts entspricht. Die obige Abbildung zeigt zum Beispiel die Entstehung der vier Solitonen, die entstehen würden, wenn Licht mit einem Bahndrehimpuls von zwei mit einem BEC wechselwirkt.
Die Entdeckung stellt eine einfache neue Technik dar, um exotische Materie in komplexe Formen zu bringen und den Transport von BEC-Atomen sorgfältig zu kontrollieren. Henderson und Kollegen schlagen nun vor, dass der Effekt in neuartigen Quantentechnologien genutzt werden könnte: darunter ultraempfindliche Detektoren und Schaltkreise, die neutrale Atome verwenden, um Ströme zu übertragen.
Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.
