Atomen laten doen wat je wilt is niet eenvoudig, maar het vormt de kern van veel baanbrekend onderzoek in de natuurkunde.

Het creëren en beheersen van het gedrag van nieuwe vormen van materie is van bijzonder belang en een actief onderzoeksgebied. Onze nieuwe studie, gepubliceerd in Physical Review Letters , heeft een geheel nieuwe manier ontdekt om ultrakoude atomen in verschillende vormen te modelleren met behulp van laserlicht.

Ultrakoude atomen, afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273°C), zijn van groot belang voor onderzoekers omdat ze hen in staat stellen fysieke verschijnselen te zien en te onderzoeken die anders onmogelijk zouden zijn. Bij deze temperaturen, koeler dan de ruimte, vormen groepen atomen een nieuwe staat van materie (niet vast, vloeibaar of gas) die bekend staat als Bose-Einstein-condensaten (BEC). In 2001 kregen natuurkundigen de Nobelprijs voor het genereren van zo'n condensaat.

Het bepalende kenmerk van een BEC is dat de atomen zich heel anders gedragen dan we normaal verwachten. In plaats van als onafhankelijke deeltjes te werken, hebben ze allemaal dezelfde (zeer lage) energie en zijn ze op elkaar afgestemd.

Dit is vergelijkbaar met het verschil tussen fotonen (lichtdeeltjes) die van de zon komen, die veel verschillende golflengten (energieën) kunnen hebben en onafhankelijk oscilleren, en die in laserstralen, die allemaal dezelfde golflengte hebben en samen oscilleren.

In deze nieuwe staat van materie gedragen de atomen zich veel meer als een enkele, golfachtige structuur dan als een groep individuele deeltjes. Onderzoekers hebben golfachtige interferentiepatronen tussen twee verschillende BEC's kunnen aantonen en zelfs bewegende "BEC-druppels" kunnen produceren. Dit laatste kan worden gezien als het atomaire equivalent van een laserstraal.

Bewegende druppels

In onze laatste studie, uitgevoerd met onze collega's Gordon Robb en Gian-Luca Oppo, hebben we onderzocht hoe speciaal gevormde laserstralen kunnen worden gebruikt om ultrakoude atomen van een BEC te manipuleren. Het idee om licht te gebruiken om objecten te verplaatsen is niet nieuw:wanneer licht op een object valt, kan het een (zeer kleine) kracht uitoefenen. Deze stralingsdruk is het principe achter het idee van zonnezeilen, waarbij de kracht die wordt uitgeoefend door zonlicht op grote spiegels kan worden gebruikt om een ​​ruimtevaartuig door de ruimte voort te stuwen.

In deze studie hebben we echter een bepaald type licht gebruikt dat niet alleen in staat is om de atomen te "duwen", maar ze ook rond te draaien, een beetje als een "optische moersleutel". Deze laserstralen zien eruit als heldere ringen (of donuts) in plaats van vlekken en ze hebben een gedraaid (spiraalvormig) golffront, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Onder de juiste omstandigheden, wanneer zo'n gedraaid licht op een bewegend BEC schijnt, worden de atomen erin eerst aangetrokken naar de heldere ring voordat ze eromheen worden geroteerd. Terwijl de atomen roteren, beginnen zowel licht als atomen druppeltjes te vormen die in de oorspronkelijke richting van de laserstraal draaien voordat ze naar buiten worden uitgestoten, weg van de ring.

Het aantal druppels is gelijk aan het dubbele van het aantal lichte wendingen. Door het aantal of de richting van de wendingen in de initiële laserstraal te veranderen, hadden we volledige controle over het aantal gevormde druppeltjes en de snelheid en richting van hun daaropvolgende rotatie (zie de afbeelding hieronder). We zouden zelfs kunnen voorkomen dat de atomaire druppeltjes uit de ring ontsnappen, zodat ze veel langer in hun baan blijven en een vorm van ultrakoude atoomstroom produceren.

Ultrakoude atoomstromen

Deze benadering van het schijnen van gedraaid licht door ultrakoude atomen opent een nieuwe en eenvoudige manier om materie te beheersen en vorm te geven in verdere onconventionele en complexe vormen.

Een van de meest opwindende potentiële toepassingen van BEC's is het genereren van "atomtronische circuits", waarbij materiegolven van ultrakoude atomen worden geleid en gemanipuleerd door optische en/of magnetische velden om geavanceerde equivalenten te vormen van elektronische circuits en apparaten zoals transistors en diodes. In staat zijn om de vorm van een BEC op betrouwbare wijze te manipuleren, zal uiteindelijk helpen bij het creëren van atomtronische circuits.

Onze ultrakoude atomen, die hier werken als een "atomtronisch supergeleidend kwantuminterferentieapparaat", hebben het potentieel om veel betere apparaten te leveren dan conventionele elektronica. Dat komt omdat neutrale atomen minder informatieverlies veroorzaken dan elektronen die normaal gesproken stroom vormen. We hebben ook de mogelijkheid om functies van het apparaat gemakkelijker te wijzigen.

Het meest opwindende is echter het feit dat onze methode ons de mogelijkheid biedt om complexe atomtronische circuits te produceren die eenvoudigweg onmogelijk te ontwerpen zijn met normale materialen. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van zeer controleerbare en gemakkelijk herconfigureerbare kwantumsensoren die in staat zijn om kleine magnetische velden te meten die anders onmetelijk zouden zijn. Dergelijke sensoren zouden nuttig zijn op gebieden variërend van fundamenteel natuurkundig onderzoek tot het ontdekken van nieuwe materialen of het meten van signalen uit de hersenen. + Verder verkennen

Een eenvoudige manier om materie in complexe vormen te boetseren

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.