Наш лазер, що рухає атоми, творить нові дивні форми з матерії

Автори: Ґрант Гендерсон, аспірант з фізики Cтратклайдського університету; Елісон Яо, професорка фізики Cтратклайдського університету

Змусити атоми робити те, що ви хочете, непросто, але це є основою багатьох новаторських досліджень у фізиці.

Створення та керування поведінкою нових форм матерії становить особливий інтерес і активну область досліджень. Наше нове дослідження, опубліковане в журналі Американського фізичного товариства Physical Review Letters, виявило абсолютно новий спосіб ліплення різних форм з ультрахолодних атомів за допомогою лазерного світла.

Ультрахолодні атоми, охолоджені до температур близьких до абсолютного нуля (–273°C), представляють великий інтерес для вчених, оскільки вони дозволяють їм бачити та досліджувати фізичні явища, які інакше були б неможливі. При температурах, нижчих за космічний простір, групи атомів утворюють новий стан матерії (не твердий, рідкий або газоподібний), відомий як конденсати Бозе-Ейнштейна (БЕК). У 2001 році фізики отримали Нобелівську премію за створення такого конденсату.

Визначальною особливістю БЕК є те, що його атоми поводяться зовсім інакше, ніж ми зазвичай очікуємо. Замість того, щоб діяти як незалежні частинки, усі вони мають однакову (дуже низьку) енергію та скоординовані одна з одною.

Це подібно до різниці між фотонами (світловими частинками), що надходять від Сонця, які можуть мати багато різних довжин хвиль (енергій) і коливатися незалежно, і фотонами в лазерних променях, які всі мають однакову довжину хвилі та коливаються разом.

У цьому новому стані матерії атоми більше нагадують єдину хвилеподібну структуру, ніж групу окремих частинок. Дослідники змогли продемонструвати хвилеподібні візерунки інтерференції між двома різними БЕК і навіть створити рухомі «краплі БЕК». Останнє явище можна розглядати як атомний еквівалент лазерного променя.

Рухомі краплі

У нашому останньому дослідженні, проведеному з нашими колегами Ґордоном Робом і Джан-Лукою Опо, ми вивчали, як лазерні промені спеціальної форми можна використовувати для маніпулювання ультрахолодними атомами БЕК. Ідея використання світла для переміщення об’єктів не нова: коли світло падає на об’єкт, воно може діяти на нього з (дуже невеликою) силою. Цей радіаційний тиск є принципом, що лежить в основі ідеї сонячних вітрил, де сила сонячного світла, що діє на великі дзеркала, може використовуватися для руху космічного корабля в космосі.

У цьому дослідженні, однак, ми використовували спеціальний тип світла, який здатний не просто «штовхати» атоми, а й обертати їх навколо, що чимось нагадує «оптичний гайковий ключ». Ці лазерні промені виглядають як яскраві кільця (або пончики), а не світлові плями, і вони мають закручений (спіральний) хвильовий фронт, який показано на малюнку нижче.

Світло, що несе орбітальний кутовий момент (ОКМ), «скручується» під час руху. Надано автором.

За правильних умов, коли таке закручене світло потрапляє на рухомий БЕК, атоми в ньому спочатку притягуються до яскравого кільця, а потім обертаються навколо нього. Коли атоми обертаються, світло та атоми починають формувати краплі, які обертаються навколо початкового напрямку лазерного променя перед їх викидом назовні, в напрямку від кільця.

Кількість крапель дорівнює подвоєній кількості світлових витків. Змінюючи кількість або напрямок витків у початковому лазерному промені, ми повністю контролювали кількість утворених крапель, а також швидкість і напрямок їхнього подальшого обертання (дивись малюнок нижче). Ми навіть могли запобігти виходу атомних крапель із кільця, щоб вони продовжували обертатися по орбіті набагато довше, створюючи форму ультрахолодного атомного потоку.

Закручене світло світить на рухомий БЕК, формуючи його в кільце, а потім розбиваючи його на кілька крапель БЕК, які обертаються в напрямку світла, перш ніж вирватися на свободу та закрутитися. Надано автором.

Ультрахолодні атомні потоки

Цей підхід просвічування закрученого світла крізь ультрахолодні атоми відкриває новий і простий спосіб контролю та організації матерії в подальші нестандартні та складні форми.

Одним із найбільш захоплюючих потенційних застосувань БЕК є створення «атомтронних схем», де хвилі матерії з ультрахолодних атомів направляються та керуються оптичними та/або магнітними полями для формування передових еквівалентів електронних схем і пристроїв, таких як транзистори та діоди. Можливість надійно керувати формою БЕК зрештою допоможе створити атомтронні схеми.

Наші ультрахолодні атоми, що діють тут як «атомтронний надпровідний квантовий інтерференційний пристрій», мають потенціал створити набагато кращі пристрої за звичайні електроприлади. Це тому, що нейтральні атоми призводять до меншої втрати інформації, ніж електрони, які зазвичай створюють електричний струм. У нас також є можливість легше змінювати функції пристрою.

Однак найбільш захоплюючим є той факт, що наш метод дозволяє виробляти складні атомтронні схеми, які було б просто неможливо створити за допомогою звичайних матеріалів. Це може допомогти розробити висококеровані та легко реконфігуровані квантові датчики, здатні вимірювати крихітні магнітні поля, які інакше були б невимірними. Такі датчики були б корисні в різних галузях, починаючи від фундаментальних досліджень фізики і закінчуючи відкриттям нових матеріалів або вимірюванням сигналів з мозку.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Our atom-moving laser sculpts matter into weird new shapes – new research» в журналі The Conversation 24 серпня 2022 р.

Переклали Вероніка Алексєєва та Олександра Гринчук