Det är inte lätt att få atomer att göra vad du vill – men det är kärnan i mycket banbrytande forskning inom fysik.

Att skapa och kontrollera beteendet hos nya former av materia är av särskilt intresse och ett aktivt forskningsområde. Vår nya studie, publicerad i Physical Review Letters , har avslöjat ett helt nytt sätt att skulptera ultrakalla atomer till olika former med hjälp av laserljus.

Ultrakalla atomer, kylda till temperaturer nära absolut noll (-273°C), är av stort intresse för forskare eftersom de tillåter dem att se och utforska fysiska fenomen som annars skulle vara omöjliga. Vid dessa temperaturer, kallare än yttre rymden, bildar grupper av atomer ett nytt tillstånd av materia (inte fast, flytande eller gas) som kallas Bose-Einstein-kondensat (BEC). 2001 tilldelades fysiker Nobelpriset för att ha genererat ett sådant kondensat.

Den avgörande egenskapen hos en BEC är att dess atomer beter sig mycket annorlunda än vad vi normalt förväntar oss. Istället för att fungera som oberoende partiklar har de alla samma (mycket låga) energi och är koordinerade med varandra.

Detta liknar skillnaden mellan fotoner (ljuspartiklar) som kommer från solen, som kan ha många olika våglängder (energier) och oscillera oberoende, och de i laserstrålar, som alla har samma våglängd och oscillerar tillsammans.

I detta nya tillstånd av materia fungerar atomerna mycket mer som en enda vågliknande struktur än en grupp individuella partiklar. Forskare har kunnat påvisa vågliknande interferensmönster mellan två olika BEC och till och med producera rörliga "BEC-droppar". Den senare kan ses som atommotsvarigheten till en laserstråle.

Rörliga droppar

I vår senaste studie, utförd med våra kollegor Gordon Robb och Gian-Luca Oppo, undersökte vi hur specialformade laserstrålar kan användas för att manipulera ultrakalla atomer i en BEC. Tanken på att använda ljus för att flytta föremål är inte ny:när ljus faller på ett föremål kan det utöva en (mycket liten) kraft. Detta strålningstryck är principen bakom idén med solsegel, där kraften som utövas av solljus på stora speglar kan användas för att driva en rymdfarkost genom rymden.

I den här studien använde vi dock en speciell typ av ljus som inte bara kan "skjuta" atomerna, utan också rotera runt dem, lite som en "optisk skiftnyckel". Dessa laserstrålar ser ut som ljusa ringar (eller munkar) snarare än fläckar och de har en vriden (spiralformad) vågfront, som visas i bilden nedan.

Under de korrekta förhållandena, när sådant vridet ljus lyser på en rörlig BEC, attraheras atomerna i den först mot den ljusa ringen innan de roteras runt den. När atomerna roterar börjar både ljus och atomer att bilda droppar som kretsar runt laserstrålens ursprungliga riktning innan de kastas utåt, bort från ringen.

Antalet droppar är lika med två gånger antalet ljusvridningar. Genom att ändra antalet eller riktningen av vridningarna i den initiala laserstrålen hade vi full kontroll över antalet droppar som bildades och hastigheten och riktningen för deras efterföljande rotation (se bilden nedan). Vi kunde till och med hindra atomdropparna från att fly från ringen så att de fortsatte att kretsa mycket längre och producera en form av ultrakall atomström.

Ultrakalla atomströmmar

Detta tillvägagångssätt att skina vridet ljus genom ultrakalla atomer öppnar ett nytt och enkelt sätt att kontrollera och skulptera materia till ytterligare okonventionella och komplexa former.

En av de mest spännande potentiella tillämpningarna av BEC är genereringen av "atomtroniska kretsar", där materiavågor av ultrakalla atomer styrs och manipuleras av optiska och/eller magnetiska fält för att bilda avancerade ekvivalenter till elektroniska kretsar och enheter som transistorer och dioder. Att på ett tillförlitligt sätt kunna manipulera en BEC:s form kommer i slutändan att hjälpa till att skapa atomtroniska kretsar.

Våra ultrakalla atomer, som här fungerar som en "atomtronisk supraledande kvantinterferensanordning", har potential att tillhandahålla mycket överlägsna enheter än konventionell elektronik. Det beror på att neutrala atomer resulterar i mindre informationsförlust än elektroner som normalt utgör ström. Vi har också möjlighet att enklare ändra funktioner på enheten.

Mest spännande är dock det faktum att vår metod ger oss möjligheten att producera komplexa atomtroniska kretsar som helt enkelt skulle vara omöjliga att designa med vanliga material. Detta kan hjälpa till att designa mycket kontrollerbara och lätt omkonfigurerbara kvantsensorer som kan mäta små magnetiska fält som annars skulle vara omätbara. Sådana sensorer skulle vara användbara inom områden som sträcker sig från grundläggande fysikforskning till att upptäcka nya material eller mäta signaler från hjärnan. + Utforska vidare

Ett enkelt sätt att skulptera materia till komplexa former

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.