Det er ikke lett å få atomer til å gjøre det du vil – men det er kjernen i mye banebrytende forskning innen fysikk.
Å skape og kontrollere atferden til nye materieformer er av spesiell interesse og et aktivt forskningsområde.
Vår nye studie, publisert i Fysiske gjennomgangsbrevhar avdekket en helt ny måte å skulpturere ultrakalde atomer til forskjellige former ved hjelp av laserlys.
Ultrakalde atomer, avkjølt til temperaturer nær absolutt null (-273°C), er av stor interesse for forskere da de lar dem se og utforske fysiske fenomener som ellers ville vært umulige.
Ved disse temperaturene, kjøligere enn verdensrommet, danner grupper av atomer en ny når det gjelder (ikke fast, flytende eller gass) kjent som Bose–Einstein kondenserer (BEC). I 2001 var fysikere tildelt Nobelprisen for å generere et slikt kondensat.
Den definerende egenskapen til en BEC er at dens atomer oppfører seg veldig annerledes enn det vi normalt forventer. I stedet for å fungere som uavhengige partikler, har de alle samme (svært lave) energi og er koordinert med hverandre.
Dette ligner på forskjellen mellom fotoner (lyspartikler) som kommer fra solen, som kan ha mange forskjellige bølgelengder (energier) og svinge uavhengig, og de i laserstråler, som alle har samme bølgelengde og svinger sammen.
I denne nye materietilstanden virker atomene mye mer som en enkelt, bølgelignende struktur enn en gruppe individuelle partikler.
Forskere har vært i stand til å demonstrere bølgelignende interferensmønstre mellom to forskjellige BEC-er og til og med produsere bevegelige “BEC-dråper”. Sistnevnte kan tenkes som atomekvivalenten til en laserstråle.
Bevegelige dråper
I vår siste studie, utført sammen med våre kolleger Gordon Robb og Gian-Luca Oppoundersøkte vi hvordan spesialformede laserstråler kan brukes til å manipulere ultrakalde atomer til en BEC.
Ideen om å bruke lys til å flytte objekter er ikke ny: Når lys faller på en gjenstand kan det utøve en (veldig liten) kraft. Dette strålingstrykket er prinsippet bak ideen om solseilhvor kraften som utøves av sollys på store speil kan brukes til å drive et romfartøy gjennom verdensrommet.
I denne studien brukte vi imidlertid en spesiell type lys som er i stand til ikke bare å “skyve” atomene, men også rotere dem rundt, litt som en “optisk skiftenøkkel“.
Disse laserstrålene ser ut som lyse ringer (eller smultringer) i stedet for flekker, og de har en vridd (spiralformet) bølgefront, som vist på bildet nedenfor.
Under de riktige forholdene, når slikt vridd lys skinner på en bevegelig BEC, blir atomene i den først tiltrukket mot den lyse ringen før de roteres rundt den.
Når atomene roterer, begynner både lys og atomer å danne dråper som går i bane rundt den opprinnelige retningen til laserstrålen før de kastes utover, vekk fra ringen.
Antall dråper er lik dobbelt så mange lette vendinger. Ved å endre antallet, eller retningen, på vridningene i den innledende laserstrålen, hadde vi full kontroll over antall dråper som ble dannet, og hastigheten og retningen for deres påfølgende rotasjon (se bildet nedenfor).
Vi kunne til og med forhindre at atomdråpene rømte fra ringen slik at de fortsatte å gå i bane mye lenger, og produsere en form for ultrakald atomstrøm.
Ultrakalde atomstrømmer
Denne tilnærmingen med å skinne vridd lys gjennom ultrakalde atomer åpner en ny og enkel måte å kontrollere og skulpturere materie til ytterligere ukonvensjonelle og komplekse former.
En av de mest spennende potensielle bruksområdene til BEC-er er genereringen av “atomtroniske kretser“, hvor materiebølger av ultrakalde atomer styres og manipuleres av optiske og/eller magnetiske felt for å danne avanserte ekvivalenter av elektroniske kretser og enheter som transistorer og dioder.
Å være i stand til pålitelig å manipulere en BECs form vil til slutt bidra til å skape atomtroniske kretser.
Våre ultrakalde atomer, fungerer her som en “atomtronisk superledende kvanteinterferensenhet“, har potensial til å tilby langt overlegne enheter enn konvensjonell elektronikk.
Det er fordi nøytrale atomer resulterer i mindre informasjonstap enn elektroner som normalt utgjør strøm. Vi har også muligheten til å endre funksjoner på enheten enklere.
Mest spennende er imidlertid det faktum at metoden vår gir oss muligheten til å produsere komplekse atomtroniske kretser som rett og slett ville være umulig å designe med vanlige materialer.
Dette kan hjelpe til med å designe svært kontrollerbare og lett rekonfigurerbare kvantesensorer som er i stand til å måle små magnetiske felt som ellers ville vært umålelige.
Slike sensorer ville være nyttig på områder som spenner fra grunnleggende fysikkforskning til å oppdage nye materialer eller måle signaler fra hjernen.
Grant HendersonPhD-kandidat i fysikk, University of Strathclyde og Alison Yaouniversitetslektor i fysikk, University of Strathclyde
Denne artikkelen er publisert på nytt fra Samtalen under en Creative Commons-lisens. Les original artikkel.