Naukowcy z Wielkiej Brytanii wykonali obliczenia, które pokazują, jak „skręcone światło” można wykorzystać do manipulowania ultrazimnymi atomami w egzotycznym stanie materii zwanym kondensatem Bosego-Einsteina (BEC). Korzystanie z modeli teoretycznych, Granta Hendersona a koledzy z brytyjskiego Uniwersytetu Strathclyde odkryli, że solitony światło-materia mogą być generowane przez interakcję między czołomi falami światła w kształcie korkociągu a BEC.
BEC to egzotyczny stan materii, w którym gaz o identycznych atomach jest chłodzony w pobliżu zera absolutnego. To doprowadza dużą część atomów do najniższego stanu kwantowego, a kiedy to nastąpi, fizyka gazu jest definiowana przez makroskopową funkcję falową.
Szczególnie interesującą cechą BEC są solitony, czyli paczki fal, które zachowują swój kształt podczas podróży. Solitony znajdują się również w wielu dziedzinach, w tym w hydrodynamice, materiałach ferroelektrycznych i nadprzewodnikach.
Przestrzenny soliton optyczny występuje wtedy, gdy dyfrakcja światła w ośrodku jest starannie równoważona przez samoogniskowanie. Samoogniskowanie to nieliniowy efekt, który polega na zmianie właściwości optycznych ośrodka przez samo światło.
Skręcanie dipoli
W swoim badaniu zespół Hendersona zbadał bardziej złożony scenariusz. Zamiast konwencjonalnej wiązki laserowej o rozkładzie natężenia Gaussa, rozważali „skręcone” światło. Jest to światło z frontem fali, który skręca się wokół własnej osi ruchu niczym korkociąg. Wiązki te przenoszą orbitalny moment pędu, co oznacza, że mogą obracać dipole elektryczne w skali atomowej, które napotykają w ośrodku.
Zespół obliczył, co się stanie, gdy wiązka skręconego światła wejdzie w interakcję z atomami BEC, który porusza się w tym samym kierunku co światło. Przewidują, że efekt samoogniskowania spowoduje rozbicie skręconego światła na solitony. Ponieważ atomy BEC są przyciągane przez światło o dużej intensywności, atomy zostałyby „przechwycone” przez solitony optyczne. W rezultacie powstają sprzężone pakiety falowe światło-atom.
Lekkie rozwidlenia w jedną stronę w kondensacie Bosego-Einsteina
Atomy w tych pakietach skręcają się podczas propagacji, a zespół odkrył, że liczba utworzonych pakietów jest równa dwukrotności orbitalnego momentu pędu skręconego światła. Powyższy rysunek pokazuje na przykład powstanie czterech solitonów, które miałyby miejsce, gdy światło o orbitalnym momencie pędu dwóch oddziałuje z BEC.
Odkrycie przedstawia prostą nową technikę rzeźbienia egzotycznej materii w złożone kształty i starannego kontrolowania transportu atomów BEC. Henderson i współpracownicy sugerują teraz, że efekt można wykorzystać w nowatorskich technologiach kwantowych: w tym w ultraczułych detektorach i obwodach wykorzystujących neutralne atomy do przenoszenia prądów.
Badania opisano w Physical Review Letters.
