Физики из Университета Иннсбрука теоретически предсказали возможность синхронной «кристаллизации» — возникновения упорядочения — света и атомов в системе, состоящей из газа и лазерного излучения. По словам ученых, в образовавшемся «световом кристалле» могут даже возникать характерные для твердого тела колебания решетки, известные как фононы. Интересно, что система должна быть способна к саморегулированию — движения атомарного газа влияют на лазерный «каркас», который их удерживает, и наоборот. Исследование опубликовано в журнале Physical Review X, кратко о нем сообщает Physics.

Благодаря взаимодействию между светом и веществом возможно существование таких приборов как оптические ловушки. Они представляют собой лазерные лучи, интерферирующие между собой. Если расположить их определенным образом, получится периодическая «световая» структура с минимумами и максимумами энергии. Оказывается, что если поместить атом рядом с точкой пространства, где находится минимум, то этот атом будет стремиться передвинуться к этой области. Таким способом ученые создают масштабные упорядоченные «кристаллы» из атомарных газов (например, рубидия или цезия), имитирующие поведение различных твердых тел. Это позволяет изучать физические явления от сверхпроводимости до теплопроводности на удобных и предсказуемых моделях. 

В новой работе авторы отказались от условия интерференции между лазерами и теоретически смоделировали одномерную (линейную) систему, в которой есть два лазера, направленных друг к другу и расположенный между ними бозе-эйнштейновский конденсат, охлажденный до сверхнизких температур. Из-за излучения двух лазеров в равномерно распределенном конденсате возникают неоднородности, концентрирующиеся у областей с более высокой интенсивностью излучения. Эти неоднородности изменяют оптические свойства среды, например, коэффициент преломления. Это, в свою очередь, влияет на распространение света и смещает зоны высокой интенсивности.  

Геометрия предложенного эксперимента: два луча лазера и холодные атомы, например, рубидия, расположенные между ними. S. Ostermann et al. / Phys. Rev. X, 2016

При плотности лазерного излучения выше некоторого критического порога теоретики предсказывают, что взаимосвязь между поведением фотонов и вещества приведет к возникновению периодических структур. Причем возникнут они спонтанно, как в световом поле, так и в «сгустках» атомов. По сути, атомы самостоятельно превращают лазерное излучение в стоячую волну-ловушку, в которую сами же потом и попадают.

По словам физиков, в таких условиях возможно воссоздать процессы, происходящие при кристаллизации твердых тел из хаотичных неупорядоченных жидкостей. При этом, благодаря взаимодействиям внутри системы на всех масштабах, в таком одномерном кристалле могут распространяться волны колебаний — фононы.

В будущем ученые планируют расширить свой метод кристаллизации света на двумерный (плоский) случай. Сама разработка может найти применение в создании сверхточных акселерометров. 

Автор: Владимир Королёв