Ilustrativní výzkum laserů na finské Aalto University. Kredit: Aalto University.

Když ochladíte atomy na teplotu blízkou absolutní nule, tak jsou ultrachladné. Když ale pořádně přitvrdíte a zmrazíte je asi tak na miliardtinu kelvina nad absolutní nulou, tak jsou z nich extrémně ultrachladné atomy. A jak ukázal nový výzkum, právě takové atomy mohou velmi vlivně působit na světlo. Badatelé se přitom opírají o fyziku, jejíž základy byly navrženy asi tak před 400 lety, ale doposud nikdo neprokázal, že to funguje.

Janne Ruostekoski. Kredit: Lancaster University.

Aby vědci mohli manipulovat jak elektrické, tak magnetické interakce mezi atomy a světlem, tak se doposud museli spoléhat na velmi speciální metamateriály. Janne Ruostekoski z britské Lancaster University a jeho kolegové ovšem zjistili, že to vlastně není nutné. Dokázali to se zcela přírodními prvky, jako je například ytterbium nebo stroncium.

Nejprve spočítali, že když atomy těchto prvků ochladí na miliardtinu kelvina nad absolutní nulou, tak se z nich stane efektivní nástroj pro ovládání světla. Za takových teplot se atomy pohybují extrémně zpomaleně. A mohou být ovládány kvantově mechanickými jevy, které se za vyšších teplot projevují méně výrazně.

Christiaan Huygens na portrétu z roku 1671. Kredit: Caspar Netscher (circa 1639 –1684).

Ruostekoskiho tým excitoval extrémně ultrachladné atomy laserem a přinutil je ke společnému pohybu. Ukázalo se, že když se takové atomy chovají jako celek, tak prostřednictvím elektrických a magnetických interakcí mohou měnit tvar a směřování světla. Dotyčné atomy se v experimentu chovaly, jako by šlo o soubor elektrických nábojů anebo nepatrných magnetů, co působí na světlo.

Jak uvádí fyzik David Wilkowski z National University of Singapore, který nebyl součástí výzkumného týmu, velmi významné a novátorské bylo využít tímto způsobem magnetické interakce. Výzkum Ruostekoskiho a spol. svým způsobem navazuje na teorie významného a vlivného nizozemského učence Christiaana Huygense ze 17. století. Právě Huygens, mimo jiné objevitel Titanu, je také autorem myšlenky, že světlo je tvořeno vlněním (Huygensův princip).

Ruostekoski s kolegy dokázali vybudovat z extrémně ultrachladných atomů „Huygensovy povrchy“. Každý atom takového povrchu určuje tvar světelné vlny, která prochází skrz. Díky tomu může Huygensův povrch sloužit jako nástroj k ovládání světelných vln, aby měly požadované vlastnosti. Jejich práce by měla mimo jiné přispět k rozvoji výzkumu kvantových technologií, včetně kvantovým pamětí, které by mohly zužitkovat postup ovládání světla pomocí koordinovaného chování atomů.

Literatura

New Scientist 4. 9. 2020.

arXiv:2002.12930.