Исследователи из Великобритании провели расчеты, показывающие, как «скрученный свет» можно использовать для управления ультрахолодными атомами в экзотическом состоянии вещества, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Используя теоретические модели, Грант Хендерсон и коллеги из британского Университета Стратклайда обнаружили, что солитоны света и материи могут генерироваться в результате взаимодействия между волновыми фронтами света в форме штопора и БЭК.
БЭК — это экзотическое состояние вещества, в котором газ идентичных атомов охлаждается почти до абсолютного нуля. Это переводит большую часть атомов в низшее квантовое состояние, и когда это происходит, физика газа определяется макроскопической волновой функцией.
Одной из особенно интересных особенностей БЭК являются солитоны, представляющие собой волновые пакеты, сохраняющие свою форму во время движения. Солитоны также встречаются в самых разных областях, включая гидродинамику, сегнетоэлектрические материалы и сверхпроводники.
Пространственный оптический солитон возникает, когда дифракция света в среде тщательно уравновешивается самофокусировкой. Самофокусировка — это нелинейный эффект, при котором сам свет изменяет оптические свойства среды.
Скручивание диполей
В своем исследовании команда Хендерсона исследовала более сложный сценарий. Вместо обычного лазерного луча с гауссовым распределением интенсивности они рассмотрели «скрученный» свет. Это свет с волновым фронтом, который закручивается вокруг своей оси движения, как штопор. Эти лучи несут орбитальный угловой момент, что означает, что они могут вращать электрические диполи атомного масштаба, с которыми они сталкиваются в среде.
Команда подсчитала, что произойдет, когда луч искривленного света взаимодействует с атомами БЭК, которые движутся в том же направлении, что и свет. Они предсказывают, что эффект самофокусировки приведет к фрагментации искривленного света на солитоны. Поскольку атомы БЭК притягиваются интенсивным светом, атомы будут «захвачены» оптическими солитонами. Результатом является создание связанных волновых пакетов свет-атом.
Свет разветвляется в одну сторону в конденсате Бозе – Эйнштейна.
Атомы в этих пакетах скручиваются по мере их распространения, и команда обнаружила, что количество создаваемых пакетов равно удвоенному орбитальному угловому моменту искривленного света. На приведенном выше рисунке, например, показано создание четырех солитонов, которые произошли бы, когда свет с орбитальным угловым моментом, равным двум, взаимодействует с БЭК.
Открытие представляет собой новую простую технику для придания экзотической материи сложных форм и тщательного контроля переноса атомов БЭК. Теперь Хендерсон и его коллеги предполагают, что этот эффект можно использовать в новых квантовых технологиях, включая сверхчувствительные детекторы и схемы, использующие нейтральные атомы для передачи токов.
Исследование описано в Physical Review Letters,.
