Дослідники у Великій Британії провели розрахунки, які показують, як «закручене світло» можна використовувати для керування ультрахолодними атомами в екзотичному стані матерії, що називається конденсатом Бозе-Ейнштейна (BEC). Використовуючи теоретичні моделі, Грант Хендерсон і його колеги з британського Університету Стратклайда виявили, що солітони світло-матерія можуть утворюватися через взаємодію між хвильовими фронтами світла у формі штопора та BEC.
BEC - це екзотичний стан матерії, в якому газ ідентичних атомів охолоджується близько до абсолютного нуля. Це переводить велику частину атомів у найнижчий квантовий стан, і коли це відбувається, фізика газу визначається макроскопічною хвильовою функцією.
Особливо цікавою особливістю BEC є солітони, які є пакетами хвиль, які зберігають свою форму під час руху. Солітони також зустрічаються в широкому спектрі галузей, включаючи гідродинаміку, сегнетоелектричні матеріали та надпровідники.
Просторовий оптичний солітон виникає, коли дифракція світла в середовищі ретельно врівноважена самофокусуванням. Самофокусування — це нелінійний ефект, який полягає в тому, що саме світло змінює оптичні властивості середовища.
Звивисті диполі
У своєму дослідженні команда Хендерсона досліджувала більш складний сценарій. Замість звичайного лазерного променя з гауссовим розподілом інтенсивності вони розглядали «скручене» світло. Це світло з хвильовим фронтом, який обертається навколо своєї осі руху, як штопор. Ці промені несуть орбітальний кутовий момент, що означає, що вони можуть обертати електричні диполі атомного масштабу, з якими вони стикаються в середовищі.
Команда підрахувала, що станеться, коли промінь викривленого світла взаємодіє з атомами BEC, який рухається в тому ж напрямку, що й світло. Вони передбачають, що ефект самофокусування призведе до фрагментації спотвореного світла на солітони. Оскільки атоми BEC притягуються до світла високої інтенсивності, атоми будуть «захоплені» оптичними солітонами. Результатом є створення пов’язаних хвильових пакетів світло-атом.
Світло розгалужується в одну сторону в конденсаті Бозе-Ейнштейна
Атоми в цих пакетах скручуються, коли вони поширюються, і команда виявила, що кількість створених пакетів дорівнює подвоєному орбітальному кутовому моменту скрученого світла. Наведений вище малюнок, наприклад, показує створення чотирьох солітонів, які виникли б, коли світло з орбітальним моментом кількості двох взаємодіє з BEC.
Відкриття представляє просту нову техніку для ліплення екзотичної матерії в складні форми та ретельного контролю транспортування атомів BEC. Тепер Хендерсон і його колеги припускають, що цей ефект можна використовувати в нових квантових технологіях: включаючи надчутливі детектори та схеми, які використовують нейтральні атоми для передачі струму.
Дослідження описано в Physical Review Letters,.
