I ricercatori nel Regno Unito hanno eseguito calcoli che mostrano come la "luce contorta" può essere utilizzata per manipolare gli atomi ultrafreddi in uno stato esotico della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC). Utilizzando modelli teorici, Concessione Henderson e colleghi dell'Università di Strathclyde nel Regno Unito hanno scoperto che i solitoni luce-materia possono essere generati attraverso l'interazione tra fronti d'onda di luce a forma di cavatappi e BEC.
I BEC sono uno stato esotico della materia, in cui un gas di atomi identici viene raffreddato vicino allo zero assoluto. Ciò porta una grande frazione degli atomi nello stato quantico più basso e quando ciò si verifica la fisica del gas è definita da una funzione d'onda macroscopica.
Una caratteristica particolarmente interessante dei BEC sono i solitoni, che sono pacchetti d'onda che mantengono la loro forma mentre viaggiano. I solitoni si trovano anche in un'ampia gamma di campi, inclusi idrodinamica, materiali ferroelettrici e superconduttori.
Un solitone ottico spaziale si verifica quando la diffrazione della luce in un mezzo è accuratamente bilanciata dall'autofocus. L'autofocus è un effetto non lineare che coinvolge la luce stessa che modifica le proprietà ottiche del mezzo.
Dipoli attorcigliati
Nel loro studio, il team di Henderson ha esplorato uno scenario più complesso. Invece di un raggio laser convenzionale con una distribuzione di intensità gaussiana, hanno considerato la luce "contorta". Questa è una luce con un fronte d'onda che ruota attorno al suo asse di viaggio come un cavatappi. Questi raggi trasportano momento angolare orbitale, il che significa che possono ruotare dipoli elettrici su scala atomica che incontrano in un mezzo.
Il team ha calcolato cosa accadrebbe quando un raggio di luce attorcigliata interagisce con gli atomi di un BEC che si muove nella stessa direzione della luce. Prevedono che l'effetto di autofocus causerebbe la frammentazione della luce contorta in solitoni. Poiché gli atomi del BEC sono attratti dalla luce ad alta intensità, gli atomi verrebbero "catturati" dai solitoni ottici. Il risultato è la creazione di pacchetti d'onda accoppiati di atomi di luce.
Forche leggere a senso unico in un condensato di Bose-Einstein
Gli atomi in questi pacchetti si attorcigliano mentre si propagano e il team ha scoperto che il numero di pacchetti creati è pari al doppio del momento angolare orbitale della luce contorta. La figura sopra, ad esempio, mostra la creazione dei quattro solitoni che si verificherebbero quando la luce con un momento angolare orbitale di due interagisce con un BEC.
La scoperta presenta una nuova tecnica semplice per scolpire materia esotica in forme complesse e controllare attentamente il trasporto degli atomi BEC. Henderson e colleghi ora propongono che l'effetto potrebbe essere sfruttato in nuove tecnologie quantistiche: inclusi rivelatori ultrasensibili e circuiti che utilizzano atomi neutri per convogliare le correnti.
La ricerca è descritta in Physical Review Letters.
