MENALABA/Flickr, CC BY-ND
Atomen laten doen wat je wilt is niet eenvoudig – maar het is wel de kern van veel baanbrekend onderzoek in de natuurkunde.
Het creëren en controleren 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 gloednieuwe manier aan het licht gebracht om ultrakoude atomen met laserlicht in verschillende vormen te brengen.
Ultrakoude atomen, afgekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273°C), zijn van groot belang voor onderzoekers omdat ze hen in staat stellen fysische fenomenen te zien en te onderzoeken die anders onmogelijk zouden zijn. Bij deze temperaturen, koeler dan in de ruimte, vormen groepen atomen een nieuwe toestand van materie (geen vaste stof, vloeistof of gas) die bekend staat als Bose-Einstein-condensaten (BEC). In 2001 hebben natuurkundigen de Nobelprijs gekregen voor het genereren van zo’n condensaat.
Het kenmerkende van een BEC is dat de atomen zich heel anders gedragen dan we normaal verwachten. In plaats van zich als onafhankelijke deeltjes te gedragen, hebben ze allemaal dezelfde (zeer lage) energie en zijn ze met elkaar gecoördineerd.
Dit is vergelijkbaar met het verschil tussen fotonen (lichtdeeltjes) afkomstig van de zon, die veel verschillende golflengtes (energieën) kunnen hebben en onafhankelijk van elkaar oscilleren, en die in laserstralen, die allemaal dezelfde golflengte hebben en samen oscilleren.
In deze nieuwe toestand van materie gedragen de atomen zich veel meer als een enkele, golfachtige structuur dan als een groep afzonderlijke 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 laserbundels 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 zonlicht op grote spiegels uitoefent, kan worden gebruikt om een ruimteschip door de ruimte voort te stuwen.
In deze studie gebruikten we echter een bepaald soort licht dat in staat is om de atomen niet alleen “voort te duwen”, maar ze ook rond te draaien, een beetje als een “optische moersleutel”. Deze laserstralen zien er eerder uit als heldere ringen (of donuts) dan als vlekken en zij hebben een gedraaid (spiraalvormig) golffront, zoals te zien is in de afbeelding hieronder.
Licht dat baanhoekmoment (OAM, m) met zich meedraagt, ‘verdraait’ als het beweegt.
Auteur verstrekt
Onder de juiste omstandigheden, wanneer zulk verdraaid licht op een bewegende BEC wordt geschenen, worden de atomen daarin eerst aangetrokken naar de heldere ring toe, voordat ze er omheen worden gedraaid. Terwijl de atomen roteren, beginnen zowel het licht als de atomen druppeltjes te vormen die in een baan om de oorspronkelijke richting van de laserstraal draaien voordat ze naar buiten worden geslingerd, weg van de ring.
Het aantal druppeltjes is gelijk aan tweemaal het aantal lichtdraaiingen. Door het aantal, of de richting, van de draaiingen in de aanvankelijke laserstraal te veranderen, hadden wij volledige controle over het aantal druppels dat zich vormde, en de snelheid en richting van hun daaropvolgende rotatie (zie de afbeelding hieronder). We konden zelfs voorkomen dat de atomaire druppels uit de ring ontsnapten, zodat ze veel langer in een baan bleven draaien en een vorm van ultrakoude atomaire stroom produceerden.
Gedraaid licht schijnt op een bewegende BEC, waardoor deze in een ring wordt geboetseerd en vervolgens uiteenvalt in een aantal BEC-druppels die in een baan om de richting van het licht draaien alvorens los te breken en weg te draaien.
Auteur verstrekt
Ultrakoude atomaire stromen
Deze benadering van het schijnen van gedraaid licht door ultrakoude atomen opent een nieuwe en eenvoudige manier om materie te controleren en te modelleren in verdere onconventionele en complexe vormen.
Een van de meest opwindende potentiële toepassingen van BECs is het genereren van “atomtronische schakelingen”, waarbij materiegolven van ultrakoude atomen worden geleid en gemanipuleerd door optische en/of magnetische velden om geavanceerde equivalenten te vormen van elektronische schakelingen en apparaten zoals transistors en diodes. Betrouwbare manipulatie van de vorm van een BEC zal uiteindelijk bijdragen tot de totstandkoming van atomtronische circuits.
Onze ultrakoude atomen, die hier werken als een “atomtronisch supergeleidend kwantum interferentie apparaat”, hebben de potentie om veel superieure apparaten te leveren dan conventionele elektronica. Dat komt omdat neutrale atomen minder informatieverlies veroorzaken dan elektronen, die normaal de stroom vormen. Ook kunnen we de eigenschappen van het apparaat gemakkelijker veranderen.
Het meest opwindende is echter het feit dat onze methode ons de mogelijkheid biedt om complexe atomtronische circuits te produceren die met normale materialen gewoon onmogelijk te ontwerpen zouden zijn. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van zeer controleerbare en gemakkelijk herconfigureerbare kwantumsensoren die in staat zijn om minuscule magnetische velden te meten die anders onmeetbaar 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 van de hersenen.
Grant Henderson ontvangt financiering van de Engineering and Physical Sciences Research Council (EP/R513349/1) via een Doctoral Training Partnership en van het European Training Network ColOpt, dat wordt gefinancierd door het Horizon 2020-programma van de Europese Unie (EU) in het kader van de Marie Skłodowska-Curie-actie, Grant Agreement No. 721465.
Alison Yao ontvangt financiering van de Engineering and Physical Sciences Research Council (EP/R513349/1) via een Doctoral
Training Partnership en van het Europese opleidingsnetwerk ColOpt, dat wordt gefinancierd door het Horizon 2020-programma van de Europese Unie (EU) in het kader van de Marie Skłodowska-Curie-actie, Grant Agreement No. 721465.
