Vores atom-bevægende laser skulpterer stof til underlige nye former – ny forskning

Det er ikke let at få atomer til at gøre, hvad du vil – men det er kernen i en masse banebrydende forskning i fysik.

At skabe og kontrollere adfærden af ​​nye former for stof er af særlig interesse og et aktivt forskningsområde. Vores nye undersøgelse, offentliggjort i Physical Review Letters , har afsløret en helt ny måde at skulpturere ultrakolde atomer i forskellige former ved hjælp af laserlys.

Ultrakolde atomer, afkølet til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt (-273°C), er af stor interesse for forskere, da de giver dem mulighed for at se og udforske fysiske fænomener, som ellers ville være umulige. Ved disse temperaturer, køligere end det ydre rum, danner grupper af atomer en ny tilstand af stof (ikke fast, flydende eller gas), kendt som Bose-Einstein-kondensater (BEC). I 2001 blev fysikere tildelt Nobelprisen for at generere et sådant kondensat.

Det afgørende træk ved en BEC er, at dens atomer opfører sig meget anderledes, end vi normalt forventer. I stedet for at fungere som selvstændige partikler har de alle den samme (meget lave) energi og er koordineret med hinanden.

Dette svarer til forskellen mellem fotoner (lyspartikler), der kommer fra Solen, som kan have mange forskellige bølgelængder (energier) og svinge uafhængigt, og dem i laserstråler, som alle har samme bølgelængde og svinger sammen.

I denne nye stoftilstand virker atomerne meget mere som en enkelt, bølgelignende struktur end en gruppe af individuelle partikler. Forskere har været i stand til at påvise bølgelignende interferensmønstre mellem to forskellige BEC'er og endda producere bevægelige "BEC-dråber". Sidstnævnte kan opfattes som den atomare ækvivalent af en laserstråle.

Bevægende dråber

I vores seneste undersøgelse, udført sammen med vores kolleger Gordon Robb og Gian-Luca Oppo, undersøgte vi, hvordan specialformede laserstråler kan bruges til at manipulere ultrakolde atomer i en BEC. Ideen med at bruge lys til at flytte objekter er ikke ny:Når lys falder på en genstand, kan den udøve en (meget lille) kraft. Dette strålingstryk er princippet bag ideen om solsejl, hvor kraften fra sollys på store spejle kan bruges til at drive et rumfartøj gennem rummet.

I denne undersøgelse brugte vi dog en bestemt type lys, der er i stand til ikke bare at "skubbe" atomerne, men også rotere dem rundt, lidt som en "optisk skruenøgle". Disse laserstråler ligner lyse ringe (eller doughnuts) snarere end pletter, og de har en snoet (spiralformet) bølgefront, som vist på billedet nedenfor.

Under de korrekte forhold, når et sådant snoet lys skinner på en bevægende BEC, tiltrækkes atomerne i det først mod den lyse ring, før de roteres omkring den. Efterhånden som atomerne roterer, begynder både lys og atomer at danne dråber, som kredser om laserstrålens oprindelige retning, før de kastes udad, væk fra ringen.

Antallet af dråber er lig med det dobbelte af antallet af lette snoninger. Ved at ændre antallet eller retningen af ​​snoningerne i den indledende laserstråle, havde vi fuld kontrol over antallet af dråber, der blev dannet, og hastigheden og retningen af ​​deres efterfølgende rotation (se billedet nedenfor). Vi kunne endda forhindre atomdråberne i at flygte fra ringen, så de fortsatte med at kredse i meget længere tid, hvilket producerede en form for ultrakold atomstrøm.

Ultrakolde atomstrømme

Denne tilgang til at skinne snoet lys gennem ultrakolde atomer åbner en ny og enkel måde at kontrollere og forme stof til yderligere ukonventionelle og komplekse former.

En af de mest spændende potentielle anvendelser af BEC'er er genereringen af ​​"atomtroniske kredsløb", hvor stofbølger af ultrakolde atomer styres og manipuleres af optiske og/eller magnetiske felter for at danne avancerede ækvivalenter til elektroniske kredsløb og enheder såsom transistorer og dioder. At være i stand til pålideligt at manipulere en BEC's form vil i sidste ende hjælpe med at skabe atomtroniske kredsløb.

Vores ultrakolde atomer, der her fungerer som en "atomtronisk superledende kvanteinterferensanordning", har potentialet til at levere langt overlegne enheder end konventionel elektronik. Det skyldes, at neutrale atomer resulterer i mindre informationstab end elektroner, der normalt udgør strøm. Vi har også mulighed for at ændre funktionerne på enheden nemmere.

Mest spændende er dog det faktum, at vores metode giver os mulighed for at producere komplekse atomtroniske kredsløb, som simpelthen ville være umulige at designe med normale materialer. Dette kunne hjælpe med at designe meget kontrollerbare og let rekonfigurerbare kvantesensorer, der er i stand til at måle små magnetiske felter, som ellers ville være umådelige. Sådanne sensorer ville være nyttige inden for områder lige fra grundlæggende fysikforskning til opdagelse af nye materialer eller måling af signaler fra hjernen. + Udforsk yderligere

En enkel måde at forme stof til komplekse former

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.