Cercetătorii din Marea Britanie au făcut calcule care arată modul în care „lumina răsucită” poate fi folosită pentru a manipula atomii ultra-reci într-o stare exotică a materiei numită condensat Bose-Einstein (BEC). Folosind modele teoretice, Grant Henderson și colegii de la Universitatea din Strathclyde din Marea Britanie au descoperit că solitonii de lumină-materie ar putea fi generați prin interacțiunea dintre fronturile de undă în formă de tirbușon de lumină și BEC.
BEC-urile sunt o stare exotică a materiei, în care un gaz cu atomi identici este răcit aproape de zero absolut. Aceasta conduce o mare parte din atomi în starea cuantică cea mai joasă, iar atunci când se întâmplă acest lucru, fizica gazului este definită de o funcție de undă macroscopică.
O caracteristică deosebit de interesantă a BEC-urilor sunt solitonii, care sunt pachete de unde care își mențin formele pe măsură ce călătoresc. Solitonii se găsesc, de asemenea, într-o gamă largă de câmpuri, inclusiv hidrodinamică, materiale feroelectrice și supraconductori.
Un soliton optic spațial apare atunci când difracția luminii într-un mediu este echilibrată cu atenție prin autofocalizare. Autofocalizarea este un efect neliniar care implică modificarea luminii însăși a proprietăților optice ale mediului.
Răsucirea dipolilor
În studiul lor, echipa lui Henderson a explorat un scenariu mai complex. În loc de un fascicul laser convențional cu o distribuție a intensității gauss, ei au considerat lumina „răsucită”. Aceasta este lumină cu un front de undă care se răsucește în jurul axei sale de deplasare ca un tirbușon. Aceste fascicule poartă moment unghiular orbital, ceea ce înseamnă că pot roti dipolii electrici la scară atomică pe care îi întâlnesc într-un mediu.
Echipa a calculat ce s-ar întâmpla atunci când un fascicul de lumină răsucit interacționează cu atomii unui BEC care se mișcă în aceeași direcție cu lumina. Ei prezic că efectul de auto-focalizare ar determina ca lumina răsucită să se fragmenteze în solitoni. Deoarece atomii BEC sunt atrași de lumina de mare intensitate, atomii ar fi „capturați” de solinii optici. Rezultatul este crearea pachetelor de unde lumină-atom cuplate.
Lumina se bifurcă într-un sens într-un condensat Bose-Einstein
Atomii din aceste pachete se răsucesc pe măsură ce se propagă, iar echipa a descoperit că numărul de pachete create este egal cu dublul momentului unghiular orbital al luminii răsucite. Figura de mai sus, de exemplu, arată crearea celor patru solitoni care ar avea loc atunci când lumina cu un moment unghiular orbital de doi interacționează cu un BEC.
Descoperirea prezintă o nouă tehnică simplă pentru sculptarea materiei exotice în forme complexe și controlarea cu atenție a transportului atomilor BEC. Henderson și colegii săi propun acum că efectul ar putea fi valorificat în noi tehnologii cuantice: inclusiv detectoare ultra-sensibile și circuite care folosesc atomi neutri pentru a transmite curenții.
Cercetarea este descrisă în Scrisori de recenzie fizică.
