Fizycy po raz pierwszy zaobserwowali efekty kaustyczne

Dziwne zachowanie atomów, czyli kaustyka w praktyce. Naukowcy zobaczyli to po raz pierwszy

Kiedy schłodzimy atomy do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu, zaczynają one nie tylko poruszać się w sposób falowy (jak światło), ale także skupiać się w egzotyczne kształty. Zjawisko to zwane kaustyką jest podobne do odbijających się lub załamujących wzorów powstających na dnie szklanki.

Naukowcy z Washington State University opracowali technikę pozwalającą zobaczyć powierzchnie kaustyczne w skali atomowej. Rezultatem obserwacji były fałdy tworzące literę „V”, które zostały opisane w Nature Communications.

To piękna demonstracja tego, jak możemy manipulować falami materii w sposób bardzo podobny do manipulowania światłem. Atom jest przyspieszany przez grawitację, dlatego możemy naśladować efekty, które byłyby bardzo trudne do zaobserwowania za pomocą światła. Ponadto, ponieważ atomy reagują na wiele różnych rzeczy, możemy potencjalnie wykorzystać te obserwacje do nowych typów czujników, które są szczególnie dobre w wykrywaniu pól magnetycznych, gradientów w polach elektrycznych lub w grawitacji.prof. Peter Engels z WSU, główny autor pracy

Kaustyka w praktyce

Chociaż jest to dopiero początek badań, to już wiadomo, że kaustyka ma potencjalne zastosowanie w bardzo precyzyjnych urządzeniach pomiarowych i zegarowych, np. interferometrach i zegarach atomowych.

Aby zaobserwować efekty kaustyczne, naukowcy musieli stworzyć jedno z najzimniejszych miejsc na Ziemi – laboratorium Fundamental Quantum Physics na WSU. Zespół prof. Engelsa użył laserów do pobrania energii z chmury atomów uwięzionych wewnątrz komory próżniowej schłodzonej do temperatury bliskiej zera bezwzględnego.

Dzięki takiej operacji, atomy zachowywały się w sposób zgodny z prawami mechaniki kwantowej – jak fala. Chmury utworzone z takich atomów to tzw. kondensat Bosego-Einsteina. Naukowcy z WSU stworzyli laser złożony z ultrazimnych atomów.

Światło lasera to skolimowany, spójny strumień fotonów, a my w zasadzie robimy to z atomami. Atomy jakby szły razem i zachowywały się jak jeden obiekt. Postanowiliśmy sprawdzić, co się stanie, jeśli jeden z nich poruszymy.Maren Mossman, która brała udział w badaniach

Naukowcy „szturchnęli” laser atomowy, stawiając na drodze wiązki przeszkody optyczne o określonej długości fali. Jeden rodzaj przeszkody odpychał atomy i tworzył efekt kaustyczny w kształcie fałdy „V” skierowany w dół, inny przyciągał je i tworzył fałdę „V” skierowaną w górę.

Nigdy wcześniej obserwacje efektów kaustycznych w laserach atomowych nie były tak łatwo dostępne. To dopiero początek badań.