Лазер, перемещающий атомы, лепит материю в странные новые формы
Заставить атомы делать то, что вы хотите, непросто, но это лежит в основе многих новаторских исследований в физике. Создание и управление поведением новых форм материи представляет особый интерес и является активной областью исследований. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, открыло совершенно новый способ придания ультрахолодным атомам различных форм с помощью лазерного света.
Свет, несущий орбитальный угловой момент (ОУМ, м), «закручивается» при движении.
Ультрахолодные атомы , охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273°C), представляют большой интерес для исследователей, поскольку позволяют увидеть и исследовать физические явления, которые иначе были бы невозможны. При этих температурах, более низких, чем в открытом космосе, группы атомов образуют новое состояние вещества (не твердое, жидкое или газообразное), известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). В 2001 году физики были удостоены Нобелевской премии за создание такого конденсата.
Определяющей чертой БЭК является то, что его атомы ведут себя совсем не так, как мы обычно ожидаем. Вместо того чтобы действовать как независимые частицы, все они имеют одинаковую (очень низкую) энергию и координируются друг с другом.
Это подобно разнице между фотонами (частицами света), исходящими от Солнца, которые могут иметь много разных длин волн (энергий) и колебаться независимо друг от друга, и фотонами в лазерных лучах, которые имеют одинаковую длину волны и колеблются вместе.
В этом новом состоянии материи атомы действуют скорее как единая волнообразная структура, чем как группа отдельных частиц. Исследователи смогли продемонстрировать волнообразные интерференционные картины между двумя разными БЭК и даже создать движущиеся «капли БЭК». Последнее можно рассматривать как атомный эквивалент лазерного луча.
Движущиеся капли
В нашем последнем исследовании, проведенном с нашими коллегами Гордоном Роббом и Джан-Лука Оппо , мы исследовали, как можно использовать лазерные лучи особой формы для манипулирования ультрахолодными атомами БЭК. Идея использования света для перемещения объектов не нова: когда свет падает на объект, он может оказывать (очень маленькое) усилие. Это радиационное давление лежит в основе идеи солнечных парусов, в которых сила солнечного света, воздействующая на большие зеркала, может использоваться для движения космического корабля в космосе.
Однако в этом исследовании мы использовали особый тип света, который способен не только «толкать» атомы, но и вращать их, что-то вроде « оптического гаечного ключа ». Эти лазерные лучи больше похожи на яркие кольца (или пончики), чем на пятна, и имеют скрученный (спиральный) волновой фронт, как показано на изображении ниже.
При правильных условиях, когда такой искривленный свет направляется на движущийся БЭК, атомы в нем сначала притягиваются к яркому кольцу, а затем вращаются вокруг него. Когда атомы вращаются, и свет, и атомы начинают формировать капли, которые вращаются вокруг исходного направления лазерного луча, а затем выбрасываются наружу, в сторону от кольца.
Количество капель равно удвоенному количеству световых завихрений. Изменяя количество или направление поворотов в исходном лазерном луче, мы полностью контролировали количество образовавшихся капель, а также скорость и направление их последующего вращения (см. изображение ниже). Мы могли бы даже предотвратить вылет атомных капель из кольца, чтобы они продолжали вращаться по орбите гораздо дольше, создавая форму ультрахолодного атомного тока.
Скрученный свет падает на движущийся БЭК, превращая его в кольцо, прежде чем разбить его на несколько капель БЭК, которые вращаются вокруг направления света, прежде чем вырваться на свободу и скрутиться.
Ультрахолодные атомные токи
Этот подход к прохождению искривленного света через ультрахолодные атомы открывает новый и простой способ управления и придания материи новых нетрадиционных и сложных форм.
Одним из наиболее захватывающих потенциальных применений БЭК является создание «атомных схем», в которых материальные волны ультрахолодных атомов направляются и манипулируются оптическими и/или магнитными полями для формирования усовершенствованных эквивалентов электронных схем и устройств, таких как транзисторы и диоды. Возможность надежно манипулировать формой БЭК в конечном итоге поможет создать схемы атомной электроники.
Наши ультрахолодные атомы, действующие здесь как «атомтронное сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство», потенциально могут создать устройства, намного превосходящие обычную электронику. Это потому, что нейтральные атомы приводят к меньшей потере информации, чем электроны, которые обычно составляют ток. У нас также есть возможность более легко изменять функции устройства.
Однако наиболее захватывающим является тот факт, что наш метод позволяет нам производить сложные схемы атомной электроники, которые было бы просто невозможно сконструировать из обычных материалов. Это может помочь в разработке хорошо управляемых и легко реконфигурируемых квантовых датчиков, способных измерять крошечные магнитные поля, которые в противном случае были бы неизмеримы. Такие датчики будут полезны в самых разных областях: от фундаментальных исследований физики до открытия новых материалов или измерения сигналов, поступающих от мозга.
