Novo feixe de laser 'torcido' pode esculpir átomos ultrafrios em formas incomuns: WebCuriosos

Fazer com que os átomos façam o que você deseja não é fácil – mas está no centro de muitas pesquisas inovadoras em física.

Criar e controlar o comportamento de novas formas de matéria é de particular interesse e uma área ativa de pesquisa.

Nosso novo estudo, publicado em Cartas de revisão físicadescobriu uma nova maneira de esculpir átomos ultrafrios em diferentes formas usando luz laser.

Átomos ultrafrios, resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto (-273°C), são de grande interesse para os pesquisadores, pois permitem ver e explorar fenômenos físicos que de outra forma seriam impossíveis.

Nessas temperaturas, mais frias que o espaço sideral, grupos de átomos formam um novo estado da matéria (não sólido, líquido ou gasoso) conhecido como Condensados ​​de Bose-Einstein (BEC). Em 2001, os físicos premiado com o prêmio Nobel para gerar tal condensado.

A característica definidora de um BEC é que seus átomos se comportam de maneira muito diferente do que normalmente esperamos. Em vez de agirem como partículas independentes, todas têm a mesma energia (muito baixa) e são coordenadas entre si.

Isto é semelhante à diferença entre os fótons (partículas de luz) provenientes do Sol, que podem ter muitos comprimentos de onda (energias) diferentes e oscilar independentemente, e aqueles nos feixes de laser, que têm todos o mesmo comprimento de onda e oscilam juntos.

Neste novo estado da matéria, os átomos agem muito mais como uma estrutura única, semelhante a uma onda, do que como um grupo de partículas individuais.

Os pesquisadores conseguiram demonstrar padrões de interferência semelhantes a ondas entre dois BECs diferentes e até produzir “gotículas de BEC” em movimento. Este último pode ser pensado como o equivalente atômico de um feixe de laser.

Gotas em movimento

Em nosso último estudo, realizado com nossos colegas Gordon Robb e Gian-Luca Oppoinvestigamos como feixes de laser com formatos especiais podem ser usados ​​para manipular átomos ultrafrios de um BEC.

A ideia de usar a luz para mover objetos não é nova: quando a luz incide sobre um objeto, ela pode exercer uma força (muito pequena). Esta pressão de radiação é o princípio por trás a ideia das velas solaresonde a força exercida pela luz solar em grandes espelhos pode ser usada para impulsionar uma nave espacial através do espaço.

Neste estudo, porém, usamos um tipo específico de luz que é capaz não apenas de “empurrar” os átomos, mas também de girá-los, um pouco como um “chave óptica“.

Esses feixes de laser parecem anéis brilhantes (ou donuts) em vez de pontos e têm uma frente de onda torcida (helicoidal), conforme mostrado na imagem abaixo.

Sob as condições corretas, quando essa luz distorcida incide sobre um BEC em movimento, os átomos nele contidos são primeiro atraídos em direção ao anel brilhante antes de serem girados em torno dele.

À medida que os átomos giram, tanto a luz quanto os átomos começam a formar gotículas que orbitam na direção original do feixe de laser antes de serem ejetadas para fora, para longe do anel.

O número de gotas é igual ao dobro do número de torções leves. Ao alterar o número, ou direção, das torções no feixe de laser inicial, tivemos controle total sobre o número de gotículas formadas e a velocidade e direção de sua rotação subsequente (veja a imagem abaixo).

Poderíamos até evitar que as gotículas atômicas escapassem do anel, de modo que continuassem a orbitar por muito mais tempo, produzindo uma forma de corrente atômica ultrafria.

Correntes atômicas ultrafrias

Esta abordagem de brilhar luz distorcida através de átomos ultrafrios abre uma maneira nova e simples de controlar e esculpir a matéria em formas ainda mais não convencionais e complexas.

Uma das aplicações potenciais mais interessantes dos BECs é a geração de “circuitos atomtrônicos“, onde ondas de matéria de átomos ultrafrios são guiadas e manipuladas por campos ópticos e/ou magnéticos para formar equivalentes avançados de circuitos eletrônicos e dispositivos como transistores e diodos.

Ser capaz de manipular de forma confiável a forma de um BEC ajudará, em última análise, a criar circuitos atomtrônicos.

Nossos átomos ultrafrios, agindo aqui como um “dispositivo de interferência quântica supercondutor atomtrônico“, têm o potencial de fornecer dispositivos muito superiores aos da eletrônica convencional.

Isso ocorre porque os átomos neutros resultam em menos perda de informação do que os elétrons que normalmente constituem a corrente. Também temos a capacidade de alterar recursos do dispositivo com mais facilidade.

O mais emocionante, porém, é o fato de que nosso método nos permite produzir circuitos atomtrônicos complexos que seriam simplesmente impossíveis de projetar com materiais normais.

Isso poderia ajudar a projetar sensores quânticos altamente controláveis ​​e facilmente reconfiguráveis, capazes de medir pequenos campos magnéticos que de outra forma seriam imensuráveis.

Tais sensores seria útil em áreas que vão desde a pesquisa básica em física até a descoberta de novos materiais ou a medição de sinais do cérebro.

Grant Hendersondoutorando em Física, Universidade de Strathclyde e Alison Yaoprofessor sênior de física, Universidade de Strathclyde

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