Forskere i Storbritannia har gjort beregninger som viser hvordan "vridd lys" kan brukes til å manipulere de ultrakalde atomene i en eksotisk materietilstand kalt et Bose–Einstein-kondensat (BEC). Ved å bruke teoretiske modeller, Grant Henderson og kolleger ved Storbritannias University of Strathclyde oppdaget at solitoner av lys-materie kunne genereres gjennom samspillet mellom korketrekkerformede bølgefronter av lys og BEC-er.
BEC-er er en eksotisk materietilstand, der en gass med identiske atomer avkjøles nær absolutt null. Dette driver en stor brøkdel av atomene inn i den laveste kvantetilstanden, og når dette skjer er fysikken til gassen definert av en makroskopisk bølgefunksjon.
Et spesielt interessant trekk ved BEC-er er solitoner, som er bølgepakker som opprettholder formene sine mens de reiser. Solitoner finnes også på tvers av et bredt spekter av felt, inkludert hydrodynamikk, ferroelektriske materialer og superledere.
En romlig optisk soliton oppstår når diffraksjonen av lys i et medium er nøye balansert av selvfokusering. Selvfokusering er en ikke-lineær effekt som innebærer at lyset selv endrer de optiske egenskapene til mediet.
Vridende dipoler
I sin studie utforsket Hendersons team et mer komplekst scenario. I stedet for en konvensjonell laserstråle med en Gaussisk intensitetsfordeling, vurderte de "vridd" lys. Dette er lys med en bølgefront som vrir seg rundt sin reiseakse som en korketrekker. Disse strålene har orbital vinkelmomentum, noe som betyr at de kan rotere elektriske dipoler i atomskala som de møter i et medium.
Teamet regnet ut hva som ville skje når en stråle med vridd lys samhandler med atomene til en BEC som beveger seg i samme retning som lyset. De spår at den selvfokuserende effekten vil føre til at det vridde lyset fragmenteres til solitoner. Siden BECs atomer blir tiltrukket av lys med høy intensitet, vil atomene bli "fanget" av de optiske solitonene. Resultatet er opprettelsen av koblede lys-atom-bølgepakker.
Lette gafler én vei i et Bose–Einstein-kondensat
Atomene i disse pakkene vrir seg når de forplanter seg, og teamet fant ut at antall pakker som ble opprettet er lik dobbelt så stor banevinkelmomentum til det vridd lyset. Figuren ovenfor viser for eksempel dannelsen av de fire solitonene som vil oppstå når lys med en orbital vinkelmomentum på to samhandler med en BEC.
Oppdagelsen presenterer en enkel ny teknikk for å skulpturere eksotisk materiale til komplekse former, og nøye kontrollere transporten av BEC-atomer. Henderson og kolleger foreslår nå at effekten kan utnyttes i nye kvanteteknologier: inkludert ultrasensitive detektorer og kretser som bruker nøytrale atomer til å formidle strømmer.
Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.
