Новый «скрученный» лазерный луч может придавать ультрахолодным атомам необычную форму

Заставить атомы делать то, что вы хотите, непросто, но это лежит в основе многих новаторских исследований в области физики.

Создание и управление поведением новых форм материи представляет особый интерес и активная область исследований.

Наше новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, открыло совершенно новый способ придания ультрахолодным атомам различных форм с помощью лазерного света.

Ультрахолодные атомы , охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (-273°C), представляют большой интерес для исследователей, так как позволяют увидеть и исследовать физические явления, которые иначе были бы невозможны.

При таких температурах холоднее, чем космическом пространстве группы атомов образуют новое состояние вещества (не твердое, жидкое или газообразное), известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). В 2001 году физикам была присуждена Нобелевская премия за создание такого конденсата.

Определяющей чертой БЭК является то, что его атомы ведут себя совершенно иначе, чем мы обычно ожидаем. Вместо того, чтобы действовать как независимые частицы, все они имеют одинаковую (очень низкую) энергию и координируются друг с другом.

Это похоже на разницу между фотонами (частицами света), исходящими от Солнца, которые могут имеют много разных длин волн (энергий) и колеблются независимо друг от друга, а лазерные лучи имеют одинаковую длину волны и колеблются вместе.

В этом новом состоянии вещества атомы действуют гораздо больше как единый, волнообразная структура, чем 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.

Движение капель

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, воздействующая солнечным светом 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 выглядят как яркие кольца (или пончики), а не пятна. и они имеют закрученный (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. .

По мере вращения атомов и свет, и атомы начинают формировать капли, которые вращаются вокруг исходного направления лазерного луча, а затем выбрасываются наружу, за пределы кольца.

Количество капельки равно удвоенному числу световых завихрений. Изменяя количество или направление завихрений в исходном лазерном луче, мы полностью контролировали количество образующихся 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 намного дольше, создавая форму сверххолодного атомного тока.

p>

Ультрахолодные атомные токи

Этот подход к прохождению искривленного света через ультрахолодные атомы открывает новый и простой способ управления и придания материи нетрадиционных и сложных форм.

Один Одним из наиболее захватывающих потенциальных применений БЭК является создание «атомтронных схем», в которых материальные волны ультрахолодных атомов направляются и управляются оптическими и/или магнитными полями для формирования усовершенствованных эквивалентов электронных схем и устройств, таких как транзисторы и диоды. /p>

Возможность надежно манипулировать формой БЭК в конечном итоге поможет создать атомно-электронные схемы.

Наши сверххолодные атомы, действующие здесь как «атомтронное сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство», потенциально могут обеспечить далекое будущее. превосходные устройства, которые n обычной электроники.

Это потому, что нейтральные атомы вызывают меньшую потерю информации, чем электроны, которые обычно составляют ток. У нас также есть возможность более легко изменять характеристики устройства.

Однако самым захватывающим является тот факт, что наш метод позволяет нам производить сложные атомно-электронные схемы, которые было бы просто невозможно разработать с помощью обычных материалы.

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 фундаментальной физики научных исследований до обнаружения новых материалов или измерения сигналов мозга. republish-lightbox-basic» alt=»The Conversation» width=»1″ height=»1″ style=»border: none !important; box-shadow: none !important; margin: 0 !important; max-height: 1px !важно; максимальная ширина: 1px !важно; минимальная высота: 1px !важно; минимальная ширина: 1px !важно; непрозрачность: 0 !важно; контур: нет пе !важно; padding: 0 !important;»>

Грант Хендерсон, кандидат наук по физике, Стратклайдский университет, и Элисон Яо, старший преподаватель физики, Стратклайдский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.