Các nhà nghiên cứu ở Anh đã thực hiện các tính toán cho thấy cách "ánh sáng xoắn" có thể được sử dụng để điều khiển các nguyên tử cực lạnh trong một trạng thái vật chất kỳ lạ được gọi là chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). Sử dụng các mô hình lý thuyết, cấp Henderson và các đồng nghiệp tại Đại học Strathclyde của Vương quốc Anh đã phát hiện ra rằng các soliton vật chất ánh sáng có thể được tạo ra thông qua sự tương tác giữa các mặt sóng hình xoắn ốc của ánh sáng và BEC.
BEC là một trạng thái kỳ lạ của vật chất, trong đó khí của các nguyên tử giống hệt nhau được làm lạnh gần bằng không tuyệt đối. Điều này đẩy một phần lớn các nguyên tử vào trạng thái lượng tử thấp nhất, và khi điều này xảy ra, vật lý của khí được xác định bởi một hàm sóng vĩ mô.
Một tính năng đặc biệt thú vị của BEC là soliton, là các gói sóng duy trì hình dạng của chúng khi chúng di chuyển. Soliton cũng được tìm thấy trên nhiều lĩnh vực, bao gồm thủy động lực học, vật liệu sắt điện và chất siêu dẫn.
Một soliton quang học không gian xảy ra khi sự nhiễu xạ ánh sáng trong môi trường được cân bằng cẩn thận bằng cách tự lấy nét. Tự lấy nét là một hiệu ứng phi tuyến tính liên quan đến việc ánh sáng tự thay đổi các đặc tính quang học của môi trường.
Lưỡng cực xoắn
Trong nghiên cứu của họ, nhóm của Henderson đã khám phá ra một kịch bản phức tạp hơn. Thay vì một chùm tia laze thông thường có phân bố cường độ Gaussian, họ coi là ánh sáng "xoắn". Đây là ánh sáng với một mặt sóng xoay quanh trục di chuyển của nó giống như một con vặn nút chai. Các chùm tia này mang theo mômen động lượng quỹ đạo, có nghĩa là chúng có thể quay các lưỡng cực điện quy mô nguyên tử mà chúng gặp trong môi trường.
Nhóm nghiên cứu đã tính toán điều gì sẽ xảy ra khi một chùm ánh sáng xoắn tương tác với các nguyên tử của BEC đang chuyển động cùng hướng với ánh sáng. Họ dự đoán rằng hiệu ứng tự lấy nét sẽ khiến ánh sáng bị xoắn phân mảnh thành soliton. Vì các nguyên tử của BEC bị thu hút bởi ánh sáng cường độ cao, các nguyên tử sẽ bị "bắt" bởi các soliton quang học. Kết quả là tạo ra các gói sóng ánh sáng-nguyên tử kết hợp.
Light fork một chiều trong khối ngưng tụ Bose – Einstein
Các nguyên tử trong các gói này xoắn khi chúng lan truyền và nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng số lượng các gói được tạo ra bằng hai lần mômen động lượng quỹ đạo của ánh sáng xoắn. Ví dụ, hình trên cho thấy sự tạo ra bốn soliton sẽ xảy ra khi ánh sáng có momen động lượng quỹ đạo của hai tương tác với BEC.
Khám phá này đưa ra một kỹ thuật mới đơn giản để điêu khắc vật chất kỳ lạ thành những hình dạng phức tạp, và kiểm soát cẩn thận sự vận chuyển của các nguyên tử BEC. Henderson và các đồng nghiệp hiện đề xuất rằng hiệu ứng này có thể được khai thác trong các công nghệ lượng tử mới: bao gồm các máy dò siêu nhạy và các mạch sử dụng các nguyên tử trung tính để truyền tải dòng điện.
Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.
