Des chercheurs britanniques ont effectué des calculs qui montrent comment la «lumière torsadée» peut être utilisée pour manipuler les atomes ultra-froids dans un état exotique de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (BEC). A l'aide de modèles théoriques, Grant Henderson et des collègues de l'Université de Strathclyde au Royaume-Uni ont découvert que des solitons lumière-matière pouvaient être générés par l'interaction entre les fronts d'onde de lumière en forme de tire-bouchon et les BEC.
Les BEC sont un état exotique de la matière, dans lequel un gaz d'atomes identiques est refroidi près du zéro absolu. Cela entraîne une grande partie des atomes dans l'état quantique le plus bas, et lorsque cela se produit, la physique du gaz est définie par une fonction d'onde macroscopique.
Une caractéristique particulièrement intéressante des BEC sont les solitons, qui sont des paquets d'ondes qui conservent leur forme lorsqu'ils se déplacent. Les solitons sont également présents dans un large éventail de domaines, notamment l'hydrodynamique, les matériaux ferroélectriques et les supraconducteurs.
Un soliton optique spatial se produit lorsque la diffraction de la lumière dans un milieu est soigneusement équilibrée par autofocalisation. L'auto-focalisation est un effet non linéaire qui implique que la lumière elle-même modifie les propriétés optiques du support.
Dipôles torsadés
Dans leur étude, l'équipe de Henderson a exploré un scénario plus complexe. Au lieu d'un faisceau laser conventionnel avec une distribution d'intensité gaussienne, ils ont considéré la lumière « tordue ». C'est léger avec un front d'onde qui se tord autour de son axe de déplacement comme un tire-bouchon. Ces faisceaux portent un moment cinétique orbital, ce qui signifie qu'ils peuvent faire tourner des dipôles électriques à l'échelle atomique qu'ils rencontrent dans un milieu.
L'équipe a calculé ce qui se passerait lorsqu'un faisceau de lumière tordue interagit avec les atomes d'un BEC qui se déplace dans la même direction que la lumière. Ils prédisent que l'effet d'auto-focalisation provoquerait la fragmentation de la lumière torsadée en solitons. Puisque les atomes du BEC sont attirés par la lumière à haute intensité, les atomes seraient « capturés » par les solitons optiques. Le résultat est la création de paquets d'ondes couplés lumière-atome.
Fourches légères dans un sens dans un condensat Bose – Einstein
Les atomes de ces paquets se tordent au fur et à mesure qu'ils se propagent, et l'équipe a découvert que le nombre de paquets créés est égal à deux fois le moment cinétique orbital de la lumière tordue. La figure ci-dessus, par exemple, montre la création des quatre solitons qui se produiraient lorsque la lumière avec un moment cinétique orbital de deux interagit avec un BEC.
La découverte présente une nouvelle technique simple pour sculpter la matière exotique dans des formes complexes et contrôler soigneusement le transport des atomes BEC. Henderson et ses collègues proposent maintenant que l'effet puisse être exploité dans de nouvelles technologies quantiques : y compris des détecteurs ultra-sensibles et des circuits qui utilisent des atomes neutres pour transporter des courants.
La recherche est décrite dans Physical Review Letters.
