Onderzoekers in Groot-Brittannië hebben berekeningen uitgevoerd die laten zien hoe ‘gedraaid licht’ kan worden gebruikt om de ultrakoude atomen in een exotische toestand van materie, een Bose-Einstein-condensaat (BEC), te manipuleren. Met behulp van theoretische modellen, Grant Henderson en collega's van de Britse Universiteit van Strathclyde ontdekten dat solitonen van lichte materie kunnen worden gegenereerd door de interactie tussen kurkentrekkervormige golffronten van licht en BEC's.
BEC's zijn een exotische toestand van materie, waarin een gas met identieke atomen wordt afgekoeld tot dichtbij het absolute nulpunt. Dit drijft een groot deel van de atomen naar de laagste kwantumtoestand, en wanneer dit gebeurt, wordt de fysica van het gas bepaald door een macroscopische golffunctie.
Een bijzonder interessant kenmerk van BEC's zijn solitonen, dit zijn golfpakketten die hun vorm behouden terwijl ze reizen. Solitonen worden ook aangetroffen in een breed scala aan velden, waaronder hydrodynamica, ferro-elektrische materialen en supergeleiders.
Een ruimtelijke optische soliton ontstaat wanneer de diffractie van licht in een medium zorgvuldig wordt gecompenseerd door zelffocussering. Zelffocussering is een niet-lineair effect waarbij het licht zelf de optische eigenschappen van het medium verandert.
Draaiende dipolen
In hun onderzoek onderzocht het team van Henderson een complexer scenario. In plaats van een conventionele laserstraal met een Gaussiaanse intensiteitsverdeling beschouwden ze ‘gedraaid’ licht. Dit is licht met een golffront dat als een kurkentrekker rond zijn reisas draait. Deze bundels hebben een orbitaal impulsmoment, wat betekent dat ze elektrische dipolen op atomaire schaal kunnen roteren die ze in een medium tegenkomen.
Het team berekende wat er zou gebeuren als een straal gedraaid licht interageert met de atomen van een BEC die in dezelfde richting beweegt als het licht. Ze voorspellen dat het zelffocusserende effect ervoor zou zorgen dat het gedraaide licht in solitonen zou fragmenteren. Omdat de atomen van de BEC worden aangetrokken door licht van hoge intensiteit, zouden de atomen worden 'gevangen' door de optische solitonen. Het resultaat is de creatie van gekoppelde licht-atoomgolfpakketten.
Licht vorken één kant op in een Bose-Einstein-condensaat
De atomen in deze pakketten draaien terwijl ze zich voortplanten, en het team ontdekte dat het aantal gecreëerde pakketten gelijk is aan tweemaal het orbitale hoekmomentum van het gedraaide licht. De bovenstaande figuur toont bijvoorbeeld de creatie van de vier solitonen die zouden optreden wanneer licht met een orbitaal impulsmoment van twee interageert met een BEC.
De ontdekking presenteert een eenvoudige nieuwe techniek om exotische materie in complexe vormen te beeldhouwen en het transport van BEC-atomen zorgvuldig te controleren. Henderson en collega's stellen nu voor dat het effect kan worden benut in nieuwe kwantumtechnologieën: waaronder ultragevoelige detectoren en circuits die neutrale atomen gebruiken om stromen over te brengen.
Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.
