Unser atombewegender Laser formt Materie in seltsame neue Formen – neue Forschung

Atome dazu zu bringen, das zu tun, was Sie wollen, ist nicht einfach – aber es ist das Herzstück vieler bahnbrechender Forschungen in der Physik.

Das Erzeugen und Steuern des Verhaltens neuer Materieformen ist von besonderem Interesse und ein aktives Forschungsgebiet. Unsere neue Studie, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfunghat eine brandneue Methode entdeckt, ultrakalte Atome mit Laserlicht in verschiedene Formen zu bringen.

Ultrakalte Atome, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) gekühlt werden, sind für Forscher von großem Interesse, da sie es ihnen ermöglichen, physikalische Phänomene zu sehen und zu erforschen, die sonst unmöglich wären. Bei diesen Temperaturen, die kühler als der Weltraum sind, bilden Atomgruppen einen neuen Materiezustand (nicht fest, flüssig oder gasförmig), der als bekannt ist Bose-Einstein-Kondensate (BEC). Im Jahr 2001 waren Physiker den Nobelpreis verliehen zur Erzeugung eines solchen Kondensats.

Das bestimmende Merkmal eines BEC ist, dass sich seine Atome ganz anders verhalten als wir normalerweise erwarten. Anstatt als unabhängige Teilchen zu agieren, haben sie alle die gleiche (sehr niedrige) Energie und sind aufeinander abgestimmt.

Dies ähnelt dem Unterschied zwischen Photonen (Lichtteilchen), die von der Sonne kommen und viele verschiedene Wellenlängen (Energien) haben können und unabhängig voneinander schwingen, und denen in Laserstrahlen, die alle dieselbe Wellenlänge haben und zusammen schwingen.

In diesem neuen Aggregatzustand wirken die Atome viel mehr wie ein einzelnes, wellenförmiges Gebilde als eine Ansammlung einzelner Teilchen. Forscher konnten wellenartige Interferenzmuster zwischen zwei verschiedenen BECs nachweisen und sogar sich bewegende „BEC-Tröpfchen“ erzeugen. Letzteres kann man sich vorstellen das atomare Äquivalent eines Laserstrahls.

Bewegliche Tröpfchen

In unserer neuesten Studie, die mit unseren Kollegen durchgeführt wurde Gordon Robb und Gian Luca Oppohaben wir untersucht, wie sich mit speziell geformten Laserstrahlen ultrakalte Atome eines BEC manipulieren lassen. Die Idee, Objekte mit Licht zu bewegen, ist nicht neu: Wenn Licht auf ein Objekt fällt, kann es eine (sehr kleine) Kraft ausüben. Dieser Strahlungsdruck ist das Prinzip hinter der Idee von Sonnensegeln, bei denen die Kraft, die das Sonnenlicht auf große Spiegel ausübt, genutzt werden kann, um ein Raumschiff durch den Weltraum zu treiben.

In dieser Studie haben wir jedoch eine bestimmte Art von Licht verwendet, das die Atome nicht nur „schieben“ kann, sondern sie auch herumdrehen kann, ein bisschen wie ein „optischer Schlüssel„. Diese Laserstrahlen sehen eher wie helle Ringe (oder Donuts) als wie Punkte aus und haben eine verdrehte (helikale) Wellenfront, wie im Bild unten gezeigt.

Wenn unter den richtigen Bedingungen ein solches verdrehtes Licht auf ein sich bewegendes BEC scheint, werden die darin enthaltenen Atome zuerst von dem hellen Ring angezogen, bevor sie um ihn herum gedreht werden. Während sich die Atome drehen, beginnen sowohl Licht als auch Atome, Tröpfchen zu bilden, die die ursprüngliche Richtung des Laserstrahls umkreisen, bevor sie nach außen, weg vom Ring, ausgestoßen werden.

Die Anzahl der Tröpfchen ist gleich der doppelten Anzahl der leichten Drehungen. Indem wir die Anzahl oder Richtung der Drehungen im anfänglichen Laserstrahl änderten, hatten wir die volle Kontrolle über die Anzahl der sich bildenden Tröpfchen sowie die Geschwindigkeit und Richtung ihrer anschließenden Rotation (siehe Abbildung unten). Wir konnten sogar verhindern, dass die Atomtröpfchen aus dem Ring entweichen, sodass sie viel länger weiter umkreisen und eine Art ultrakalten Atomstrom erzeugen.

Ultrakalte Atomströme

Dieser Ansatz, verdrehtes Licht durch ultrakalte Atome zu strahlen, eröffnet eine neue und einfache Möglichkeit, Materie zu kontrollieren und in weitere unkonventionelle und komplexe Formen zu formen.

Eine der aufregendsten potenziellen Anwendungen von BECs ist die Erzeugung von „atomtronische Schaltungen„, wo Materiewellen ultrakalter Atome durch optische und/oder magnetische Felder geführt und manipuliert werden, um fortschrittliche Äquivalente elektronischer Schaltungen und Geräte wie Transistoren und Dioden zu bilden. Die Fähigkeit, die Form eines BEC zuverlässig zu manipulieren, wird letztendlich dazu beitragen, atomtronische Schaltungen zu schaffen.

Unsere ultrakalten Atome wirken hier wie ein „atomtronisches supraleitendes Quanteninterferenzgerät„, haben das Potenzial, weit überlegene Geräte als herkömmliche Elektronik bereitzustellen. Das liegt daran, dass neutrale Atome zu weniger Informationsverlust führen als Elektronen, die normalerweise Strom bilden. Wir haben auch die Möglichkeit, die Eigenschaften des Geräts einfacher zu ändern.

Am spannendsten ist jedoch die Tatsache, dass unsere Methode es uns ermöglicht, komplexe atomtronische Schaltkreise herzustellen, die mit normalen Materialien einfach unmöglich zu entwerfen wären. Dies könnte dazu beitragen, hochgradig kontrollierbare und leicht rekonfigurierbare Quantensensoren zu entwickeln, die in der Lage sind, winzige Magnetfelder zu messen, die sonst nicht messbar wären. Solche Sensoren wäre nützlich in Bereichen, die von der physikalischen Grundlagenforschung bis zur Entdeckung neuer Materialien oder der Messung von Signalen aus dem Gehirn reichen.

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